Evolución celular; las primeras células

Al finalizar el capitulo, el lector podrá: conocer
las teorías actuales sobre el origen de los
sistemas precelulares y de la vida; interpretar y
conceptualizar sobre los procesos evolutivos que
llevaron a la aparición de las procariotas; señalar
los fundamentos de la teoría endosimbiotica del
origen de las células eucariontes; identificar las
diferencias fundamentales entre una célula
procariota y una eucariótica; así mismo describir
el proceso de síntesis de proteínas en sus partes
fundamentales
La célula es la unidad fundamental de la vida. Es la
estructura más pequeña del cuerpo, capaz de
realizar todos los procesos que definen la vida:
respiración, movimiento, digestión y reproducción,
aunque no todas las células pueden realizar todas
estas funciones. La mayoría de las células son
invisibles para el ojo humano. Hasta el óvulo
femenino, la célula más grande del cuerpo, no es más
grande que el punto situado al final de esta frase. El
tamaño y la forma varían con las funciones celulares.
Carl Woese (1980) denominó protobionte o progenote al antepasado
común de todos los organismos y representaría la unidad viviente
más primitiva, pero dotada ya de la maquinaria necesaria para
realizar la transcripción y la traducción genética. De este tronco
común surgirían en la evolución tres modelos de células procariotas:
arqueas
urcariotas
bacterias
Durante un período de más de 2000 millones de años, solamente
existieron estas formas celulares, por lo que se puede pensar que
se adaptaron a vivir en todos los ambientes posibles y "ensayarían"
todos los posibles mecanismos para realizar su metabolismo. La
evolución celular se produjo en estrecha relación con la evolución
de la atmósfera y de los océanos. La teoría más aceptada es que :
1.-las primeras células serían heterótrofas anaerobias, utilizarían
como alimento las moléculas orgánicas presentes en el medio. Como
estas moléculas terminarían por agotarse, podría haber ocurrido
una primera crisis ecológica, si no hubiera sido porque en algún
momento de la evolución celular...
2.-algunas células aprendieron a fabricar las moléculas orgánicas
mediante la fijación y reducción del CO2. Se iniciaba así la
fotosíntesis, como un proceso de nutrición autótrofa. El empleo del
agua en la fotosíntesis como donante de electrones, tuvo como origen
la liberación de O2 y por tanto la transformación de la atmósfera
reductora en la atmósfera oxidante que hoy conocemos.
Empezó una revolución del oxígeno que causaría la muerte de muchas
formas celulares para las que fue un veneno, otras se adaptarían a su
presencia y ...
3.-algunas células aprendieron a utilizarlo para sus reacciones
metabólicas, lo que dio lugar a la respiración aerobia, realizando una
nutrición heterótrofa aerobia.
Estas formas celulares tienen organización procariota y son de
pequeño tamaño. A partir de ellas, se piensa que evolucionaron las
células eucariotas.
El siguiente paso en la evolución celular fue la aparición de las
eucariotas hace unos 1.500 millones de años.
Lynn Margulis, en su teoría endosimbiótica
propone que se originaron a partir de una
primitiva célula procariota, que perdió su pared
celular, lo que le permitió aumentar de tamaño,
esta primitiva célula conocida con el nombre de
urcariota. Esta célula en un momento dado,
englobaría a otras células procarióticas,
estableciéndose entre ambos una relación
endosimbionte.
Algunas fueron las precursoras de los
peroxisomas, con capacidad para
eliminar sustancias tóxicas formadas
por el creciente aumento de oxígeno en
la atmósfera.
Otras fueron las precursoras de las
mitocondrias, encargadas en un principio
de proteger a la célula huésped contra
su propio oxígeno.
Por último, algunas células procariotas fueron las precursoras de
los cloroplastos .
De hecho, mitocondrias y cloroplastos son similares a las
bacterias en muchas características y se reproducen por división.
Poseen su propio ADN y poseen ARN ribosómicos semejantes a
los de las bacterias.
La incorporación intracelular de estos organismos procarióticos a la
primitiva célula urcariota, le proporcionó dos características
fundamentales de las que carecía:
1.-La capacidad de un metabolismo oxidativo, con lo cual la célula
anaerobia pudo convertirse en aerobia.
2.-La posibilidad de realizar la fotosíntesis y por tanto ser un
organismo autótrofo capaz de utilizar como fuente de carbono el
CO2 para producir moléculas orgánicas.
Así mismo, la célula primitiva le proporcionaba a las procariotas
simbiontes un entorno seguro y alimento para su supervivencia.
Se trataría de una endosimbiosis altamente ventajosa para los
organismo implicados, ya que todos ellos habrían adquirido
particularidades metabólicas que no poseían por sí mismos
separadamente, ventaja que sería seleccionada en el transcurso de
la evolución.
En el siguiente dibujo, puede verse esquematizada esta teoría
endosimbiótica:
.
Todas las células eucariotas, que son las de todos los seres vivos con la
excepción de las bacterias cuyas células son mucho más sencillas,
comparten un plan general de organización:
Una MEMBRANA
que determina su individualidad
Un NÚCLEO
Que contiene el material genético y ejerce el control de la célula
Un CITOPLASMA
Lleno de orgánulos, dónde se ejecutan practicamente todas las
funciones.
La figura muestra un dibujo esquemático de una célula típica con
diversos orgánulos en su interior
La célula está rodeada por una membrana, denominada
"membrana plasmática". La membrana delimita el territorio de
la célula y controla el contenido químico de la célula. La
membrana plasmática representa el límite entre el medio
extracelular y el intracelular. Es de gran importancia para los
organismos, ya que a su través se transmiten mensajes que
permiten a las células realizar numerosas funciones. Es tan
fina que no se puede observar con el microscopio óptico, siendo
sólo visible con el microscopio electrónico.
Presenta las siguientes características:
Es una estructura continua que rodea a la célula. Por un lado
está en contacto con el citoplasma (medio interno) y, por el
otro, con el medio extracelular que representa el medio
externo.
Contiene receptores específicos que permiten a la célula
interaccionar con mensajeros químicos y emitir la respuesta
adecuada
En la composición química de la membrana entran a formar
parte lípidos, proteínas y glúcidos en proporciones aproximadas
de 40%, 50% y 10%, respectivamente.
Lípidos:
En la membrana de la célula eucariota encontramos tres tipos
de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y colesterol. Todos tienen
carácter anfipático ; es decir que tienen un doble
comportamiento, parte de la molécula es hidrófila y parte de la
molécula es hidrófoba por lo que cuando se encuentran en un
medio acuoso se orientan formando una bicapa lipídica La
membrana plasmática no es una estructura estática, sus
componentes tienen posibilidades de movimiento, lo que le
proporciona una cierta fluidez.
LOS MOVIMIENTOS QUE PUEDEN REALIZAR SON:
de rotación: es como si girara la molécula en torno a su eje. Es muy
frecuente y el responsable en parte de los otros movimientos.
de difusión lateral: las moléculas se difunden de manera lateral
dentro de la misma capa. Es el movimiento más frecuente.
flip-flop: es el movimiento de la molécula lipídica de una monocapa a
la otra gracias a unas enzimas llamadas flipasas. Es el movimiento
menos frecuente, por ser energéticamente más desfavorable.
de flexión: son los movimientos producidos por las colas hidrófobas
de los fosfolípidos.
La fluidez es una de las características más importantes de las
membranas. Depende de factores como :
la temperatura, la fluidez aumenta al aumentar la temperatura.
la naturaleza de los lípidos, la presencia de lípidos insaturados y de
cadena corta favorecen el aumento de fluidez; la presencia de
colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y
permeabilidad.
Proteínas:
Son los componentes de la membrana que desempeñan las funciones
específicas (transporte, comunicación, etc.). Al igual que en el caso
de los lípidos , las proteinas pueden girar alrededor de su eje y
muchas de ellas pueden desplazarse lateralmente (difusión lateral)
por la membrana. Las proteinas de membrana se clasifican en:
Proteinas integrales: Están unidas a los lípidos intímamente, suelen
atravesar la bicapa lípidica una o varias veces, por esta razón se les
llama proteinas de transmembrana.
Proteinas periféricas: Se localizan a un lado u otro de la bicapa
lipídica y están unidas débilmente a las cabezas polares de los lípidos
de la membrana u a otras proteinas integrales por enlaces de
hidrógeno.
Glúcidos
Se sitúan en la superficie externa de las células eucariotas por lo que
contribuyen a la asimetría de la membrana. Estos glúcidos son
oligosacáridos unidos a los lípidos (glucolípidos), o a las proteinas
(glucoproteinas). Esta cubierta de glúcidos representan el carne de
identidad de las células, constituyen la cubierta celular o glucocálix, a
la que se atribuyen funciones fundamentales:
Protege la superficie de las células de posibles lesiones
Confiere viscosidad a las superficies celulares, permitiendo el
deslizamiento de células en movimiento, como , por ejemplo, las
sanguíneas
Presenta propiedades inmunitarias, por ejemplo los glúcidos del
glucocálix de los glóbulos rojos representan los antígenos
propios de los grupos sanguíneos del sistema sanguíneo ABO.
Interviene en los fenómenos de reconocimiento celular,
particularmente importantes durante el desarrollo embrionario.
En los procesos de adhesión entre óvulo y espermatozoide.
Con los datos ofrecidos por la microscopía electrónica y los análisis
bioquímicos se han elaborado varios modelos de membrana.
En la actualidad el modelo más aceptado es el propuesto por Singer y
Nicholson (1972), denominado modelo del mosaico fluido , que
presenta las siguientes características:
Considera que la membrana es como un mosaico fluido en el que la
bicapa lipídica es la red cemetante y las proteinas embebidas en ella,
interaccionando unas con otras y con los lípidos. Tanto las proteinas
como los lípidos pueden desplazarse lateralmente.
Los lípidos y las proteinas integrales se hallan dispuestos en mosaico.
Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la
distribución fundamentalmente de los glúcidos, que sólo se
encuentran en la cara externa.
Las funciones de la membrana podrían resumirse en :
1.-TRANSPORTE
El intercambio de materia entre el interior de la célula y su
ambiente externo. Haz clic para ampliar este tema
2.-RECONOCIMIENTO Y COMUNICACIÓN
Gracias a moléculas situadas en la parte externa de la
membrana, que actúan como receptoras de sustancias.
Toda la porción citoplasmática que carece de
estructura y constituye la parte líquida del
citoplasma, recibe el nombre de citosol por su aspecto
fluido. En él se encuentran las moléculas necesarias
para el mantenimiento celular. El citoesqueleto ,
consiste en una serie de fibras que da forma a la
célula, y conecta distintas partes celulares, como si se
tratara de vías de comunicación celulares. Es una
estructura en continuo cambio. Formado por tres
tipos de componentes:
1.-Microtúbulos
Son filamentos largos, formados por la proteína tubulina.
Son los componentes más importantes del citoesqueleto y
pueden formar asociaciones estables, como:
Centriolos
Son dos pequeños cilindros localizados en el interior
del centrosoma Figura 1, exclusivos de células
animales. Con el microscopio electrónico se observa
que la parte externa de los centriolos está formada
por nueve tripletes de microtúbulos Figura 3 . Los
centriolos se cruzan formando un ángulo de 90:.
Figura 2
FIG 1
FIG 2
FIG 3
•Cilios y flagelos Son delgadas prolongaciones celulares móviles
que presentan básicamente la misma estructura, la diferencia
entre ellos es que los cilios son muchos y cortos, mientras que los
flagelos son pocos y más largos.
Constan de dos partes: una externa que sobresale de la superficie
de la célula, está recubierta por la membrana plasmática y
contiene un esqueleto interno de microtúbulos llamado axonema,
y otra interna, que se denomina cuerpo basal del que salen las
raíces ciliares que se cree participan en la coordinación del
movimiento.
1.-Microfilamentos
Se sitúan principalmente en la periferia celular, debajo de
la membrana y están formados por hebras de la proteína
actina, trenzadas en hélice, cuya estabilidad se debe a la
presencia de ATP e iones de calcio. Asociados a los
filamentos de miosina, son los responsables de la
contracción muscular.
2.-Filamentos intermedios
Formados por diversos tipos de proteínas. Son polímeros
muy estables y resistentes. Especialmente abundantes en
el citoplasma de las células sometidas a fuertes tensiones
mecánicas (queratina, desmina ) ya que su función consiste
en repartir las tensiones, que de otro modo podrían romper
la célula.
Distribución en el citoplasma de los filamentos del citoesqueleto
Como se puede apreciar en los esquemas de la figura 5,
los microtúbulos irradian desde una región del citoplasma
denominada centro organizador de microtúbulos o
centrosoma.
Los microfilamentos se encuentran dispersos por todo el
citoplasma; pero se concentran fundamentalmente por debajo de
la membrana plasmática.
Los filamentos intermedios, se extienden por todo el citoplasma
y se anclan a la membrana plasmática proporcionando a las
células resistencia mecánica.
Está formado por una red de membranas que forman cisternas,
sáculos y tubos aplanados. Delimita un espacio interno llamado
lúmen del retículo y se halla en continuidad estructural con la
membrana externa de la envoltura nuclear.
Se pueden distinguir dos tipos de retículo:
1.-El Retículo endoplasmático rugoso (R.E.R.), presenta ribosomas
unidos a su membrana. En el se realiza la síntesis proteíca. Las
proteinas sintetizadas por los ribosomas, pasan al lúmen del
retículo y aquí maduran hasta ser exportadas a su destino
definitivo.
2.-El retículo endoplásmico liso (R.E.L.), carece de ribosomas y esta
formado por túbulos ramificados y pequeñas vesículas
esféricas. En este retículo se realiza la síntesis de lípidos.
En el retículo de las células del hígado tiene lugar la
detoxificación, que consiste en modificar a una droga o
metabolito insoluble en agua, en soluble en agua, para asm eliminar
dichas sustancias por la orina.
Descubierto por C. Golgi en 1898, consiste en un conjunto de
estructuras de membrana que forma parte del elaborado sistema de
membranas interno de las células. Se encuentra más desarrollado
cuanto mayor es la actividad celular.
La unidad básica del orgánulo es el
sáculo, que consiste en una vesícula o
cisterna aplanada. Cuando una serie
de sáculos se apilan, forman un
dictiosoma. Además, pueden
observarse toda una serie de
vesículas más o menos esféricas a
ambos lados y entre los sáculos. El
conjunto de todos los dictiosomas y
vesículas constituye el aparato de
Golgi.
El dictiosoma se encuentra en íntima relación con el retículo
endoplásmico, lo que permite diferenciar dos caras: la cara cis, más
próxima al retículo, y la cara trans, más alejada. En la cara cis se
encuentran las vesículas de transición , mientras que en la cara trans, se
localizan las vesículas de secreción. El sistema de membranas comentado
al principio, constituye la respuesta de las células eucariotas a la
necesidad de regular sus comunicaciones con el ambiente en el trasiego
de macromoléculas. Para ello, se han desarrollado dos mecanismos en los
que el aparato de Golgi está involucrado.
La adquisición de sustancias se lleva a cabo por endocitosis, mecanismo
que consiste en englobar sustancias con la membrana plasmática para su
posterior internalización. La expulsión de sustancias se realiza por
exocitosis , mecanismo que, en último término, consiste en la fusión con
la membrana celular de las vesículas que contienen la sustancia a
exportar.
Estos mecanismos dan sentido funcional al aparato de Golgi:
Maduración de las glucoproteínas provenientes del retículo.
Intervenir en los procesos de secreción, almacenamiento , transporte y
transferencia de glucoproteínas.
Formación de membranas: plasmática, del retículo, nuclear..
Formación de la pared celular vegetal.
Intervienen también en la formación de los lisosomas.
Los lisosomas tienen una estructura muy sencilla, semejantes a
vacuolas, rodeados solamente por una membrana, contienen gran
cantidad de enzimas digestivas que degradan todas las moléculas
inservibles para la célula.
Funcionan como "estómagos" de la célula y además de digerir cualquier
sustancia que ingrese del exterior,vacuolas digestivas (figura,
números 4 y 5 ), ingieren restos celulares viejos para digerirlos
también (número 3), llamados entonces vacuolas autofágicas
Llamados "bolsas suicidas" porque si se rompiera su membrana, las
enzimas encerradas en su interior , terminarían por destruir a toda la
célula.
Los lisosomas se forman a partir del Retículo endoplásmico rugoso
(número 1)y posteriormente las enzimas son empaquetadas por el
Complejo de Golgi (número 2)
Las mitocondrias son los orgánulos celulares encargados de
suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad
celular, actúan por tanto, como centrales energéticas de la célula y
sintetizan ATP a expensas de los carburantes metabólicos (glucosa,
ácidos grasos y aminoácidos). La ultraestructura mitocondrial está
en relación con las funciones que desempeña: en la matriz se
localizan los enzimas responsables de la oxidación de los ácidos
grasos, los aminoácidos, el ácido pirúvico y el ciclo de krebs.
En la membrana interna están los sistemas dedicados al transporte
de los electrones que se desprenden en las oxidaciones anteriores
y un conjunto de proteínas encargadas de acoplar la energía
liberada del transporte electrónico con la síntesis de ATP,estas
proteínas le dan un aspecto granuloso a la cara interna de la
membrana mitocondrial.
También se encuentran dispersas por la matriz una molécula de
ADN circular y unos pequeños ribosomas implicados en la síntesis
de un pequeño número de proteínas mitocondriales
Estructura de los cloroplastos.
Los cloroplastos son orgánulos exclusivos de las células vegetales.
En ellos tiene lugar la fotosíntesis, proceso en el que se transforma
la energía lumínica en energía química, almacenada en moléculas
ATP y moléculas reductoras (NADPH), que se utilizarán
posteriormente para sintetizar moléculas orgánicas.
Tienen una organización muy similar a la de la mitocondria, aunque
es de mayor tamaño y tiene un compartimento más, porque presenta
un tercer tipo de membrana.
FIG. 1
Un cloroplasto tiene por tanto tres membranas y presenta tres
compartimentos.
La membrana externa es muy permeable, gracias a la presencia de porinas.
La membrana interna es menos permeable,no presenta pliegues (la de la
mitocondria sí los presenta). Entre ambas membranas queda un primer
compartimento que es el espacio intermembrana. La membrana interna
delimita un espacio que es el estroma, dónde se encuentran ribosomas,
copias de ADN, distintos tipos de ARN, gránulos de almidón y gotas de
lípidos.
La membrana tilacoidal, es el tercer tipo de membrana, aparece formando
unos sacos aplanados denominados tilacoides, y forman unas agrupaciones
llamadas grana. Los tilacoides están interconectados y delimitan una
tercera cavidad que es el espacio tilacoidal
La membrana tilacoidal
Es la responsable de la captación de la energía solar, gracias a la
presencia de clorofilas y de otros pigmentos asociados con proteínas
en unas estructuras funcionales que son los fotosistemas.
FIG
2
En esta membrana (figura 2), se encuentra también una cadena de
transporte electrónico y una ATP-sintasa que funciona como la
ATP-sintasa mitocondrial.
FIG 3
En la figura 3 se ve la distribución de estas estructuras en la membrana
tilacoidal
El fotosistema
II (PSII) se localiza principalmente en la grana,
mientras que el fotosistema I (PSI) lo hace en contacto con el
estroma al igual que el complejo ATP-sintasa. El citocromo b6-f,
tiene como función el transporte de los electrones desde el
fotosistema II al I, por lo que se encuentra en ambas localizaciones.
Fotosistemas
Los fotosistemas son las unidades de la membrana tilacoidal. Cada
fotosistema está formado por dos partes:
FIG 4
un complejo antena, formado por varios centenares de moléculas de
clorofila y carotenos.
un centro reactivo, o centro de reacción fotoquímico, tiene unas moléculas
de clorofila a que actúan como una verdadera trampa energética, puesto
que los electrones que liberan son catapultados hacia la cadena de
transporte electrónico de la membrana tilacoidal
El complejo antena funciona así: Cuando una de sus moléculas se excita al
captar un fotón (unidad de energía lumínica ) transfiere esa energía de
excitación a otra molécula cercana (figura 4) por un proceso de resonancia
y, en una reacción en cadena, esa energía llega hasta el centro reactivo.
El núcleo es un orgánulo característico de las células eucariotas. El
material genético de la célula se encuentra dentro del núcleo en forma
de cromatina.
El nucleo dirige las actividades de la célula y en él tienen lugar procesos
tan importantes como la autoduplicación del ADN o replicación, antes de
comenzar la división celular, y la transcripción o producción de los
distintos tipos de ARN, que servirán para la síntesis de proteínas. El
núcleo cambia de aspecto durante el ciclo celular y llega a desaparecer
como tal. Por ello se describe el núcleo en interfase durante el cual se
puede apreciar las siguientes partes en su estructura:
envoltura nuclear: formada por dos membranas concéntricas perforadas
por poros nucleares. A través de éstos se produce el transporte de
moléculas entre el núcleo y el citoplasma.
el nucleoplasma, que es el medio interno del núcleo donde se encuentran
el resto de los componentes nucleares.
nucléolo, o nucléolos que son masas densas y esféricas, formados por dos
zonas: una fibrilar y otra granular. La fibrilar es interna y contiene
ADN, la granular rodea a la anterior y contiene ARN y proteínas.
la cromatina, constituida por ADN y proteinas, aparece durante la
interfase; pero cuando la célula entra en división la cromatina se
organiza en estructuras individuales que son los cromosomas.
CROMATINA Y CROMOSOMAS
Un cromosoma es una molécula de ADN muy larga que contiene una serie de
genes. Un cromosoma metafásico está formado por dos cromátidas
idénticas en sentido longitudinal. En cada una de ellas hay un
nucleofilamento de ADN replegado idéntico en ambas cromátidas.
Están unidas a través del
centrómero. En las cromátidas se
aprecia también un cinetócoro,
centro organizador de
microtúbulos, que se forman
durante la mitosis y que ayudan a
unir los cromosomas con el huso
mitótico. Por lo tanto podemos
decir que cromatina y cromosomas
es lo mismo, y el cromosoma sería
un paquete de cromatina muy
compacto
Como puede verse en estos últimos
dibujos, en una secuencia que va desde
el ADN hasta el cromosoma.
El número 1 corresponde a la molécula
de ADN,
En el número 2 , vemos el ADN unido a
proteínas globulares, formando una
estructura denominada "collar de
perlas", formado por la repetición de
unas unidades que son los
"nucleosomas", que corresponderían a
cada perla del collar.
En el número 3 se pasa a una estructura
de orden superior formando un
"solenoide".
En el número 4, se consigue aumentar el
empaquetamiento, formando la fibra de
cromatina, nuevos "bucles".
En el número 5, llegamos al grado de
mayor espiralización y compactación,
formando un denso paquete de
cromatina, que es en realidad, un
cromosoma.
El total de la información genética contenida en los cromosomas de un
organismo constituye su genoma.
La fotosíntesis es uno de los procesos metabólicos de los que se valen las
células para obtener energía. Es un proceso complejo, mediante el cual
los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan
energía luminosa procedente del sol y la transforman en energía
química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos
transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos
(glucosa y otros), liberando oxígeno:
CO2 + H2O+ LUZ
GLUCOSA + O2
La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido en el
proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los bioelementos
necesarios, como nitrógeno y azufre, además de carbono, para formar
materia viva.
La radiación luminosa llega a la tierra en forma de" pequeños paquetes",
conocidos como cuantos o fotones. Los seres fotosintéticos captan la
luz mediante diversos pigmentos fotosensibles, entre los que destacan
por su abundancia las clorofilas y carotenos.
Al absorber los pigmentos la luz, electrones de sus moléculas adquieren
niveles energéticos superiores, cuando vuelven a su nivel inicial liberan
la energía que sirve para activar una reacción química: una molécula de
pigmento se oxida al perder un electrón que es recogido por otra
sustancia, que se reduce. Así la clorofila puede transformar la
energía luminosa en energía química..
En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reacciones:
1.-Fase luminosa: en tilacoide en ella se producen transferencias de
electrones.
2.-Fase oscura: en el estroma. En ella se realiza la fijación de carbono
Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la fotosíntesis se
pueden resumir en estos puntos:
1.-Síntesis de ATP o fotofosforilación que puede ser:
acíclica o abierta
cíclica o cerrada
2.-Síntesis de poder reductor NADPH
3.-Fotolisis del agua
Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se
encuentran organizados en fotosistemas(conjuntos funcionales
formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada
en ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la
molécula de "clorofila diana" que es la molécula que se oxida al
liberar un electrón, que es el que irá pasando por una serie de
transportadores, en cuyo recorrido liberará la energía.
Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema I (FSI), está
asociado a moléculas de clorofila que absorben a longitudes de ondas
largas (700 nm)y se conoce como P700. El fotosistema II (FSII), está
asociado a moléculas de clorofila que absorben a 680 nm. por eso se
denomina P680.
La luz es recibida en el FSII por la clorofila P680 que se oxida al liberar un
electrón que asciende a un nivel superior de energía; ese electrón es
recogido por una sustancia aceptará de electrones que se reduce, la
Plastoquinona (PQ) y desde ésta va pasando a lo largo de una cadena
transportadora de electrones, entre los que están varios citocromos (cyt
b/f) y así llega hasta la plastocianina (PC) que se los cederá a moléculas de
clorofila del FSI.
En el descenso por esta cadena, con oxidación y reducción en cada paso , el
electrón va liberando la energía que tenía en exceso; energía que se utiliza
para bombear protones de hidrógeno desde el estroma hasta el interior de
los tilacoides, generando un gradiente electroquímico de protones. Estos
protones vuelven al estroma a través de la ATP-asa y se originan moléculas
de ATP.
El fotosistema II se reduce al recibir electrones procedentes de una
molécula de H2O, que también por acción de la luz, se descompone en
hidrógeno y oxígeno, en el proceso llamado fotólisis del H2O. De este modo
se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia
el fotosistema II y de éste al fotosistema I.
En el fotosistema I la luz produce el mismo efecto sobre la clorofila P700,
de modo que algún electrón adquiere un nivel energético superior y
abandona la molécula, es recogido por otro aceptor de electrones , la
ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta llegar a una
molécula de NADP+ que es reducida a NADPH,al recibir dos electrones y un
protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.
Los dos fotosistemas pueden actuar conjuntamente - proceso conocido
como esquema en Z, para producir la fotofosforilación (obtención de ATP)
o hacerlo solamente el fotosistema I; se diferencia entonces entre
fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los dos, y
fotofosforilación cíclica, cuando actúa el fotosistema I unicamente. En la
fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a
NADPH , mientras que en la fotofosforilación cíclica únicamente se
obtiene ATP y no se libera oxígeno.
Mientras la luz llega a los fotosistemas, se mantiene un flujo de
electrones desde el agua al fotosistema II, de éste al fotosistema
I, hasta llegar el NADP+ que los recoge; ésta pequeña corriente
eléctrica es la que mantiene el ciclo de la vida.
En esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase
luminosa, en reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos
C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.
Las plantas obtiene el CO2 del aire a través de los estomas de sus hojas.
El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de
Calvin., en honor de su descubridor M. Calvin.
La fijación del CO2 se produce en tres fases:
1.-Carboxilativa: El CO2 se fija a una molécula de 5C, la ribulosa 1,5
difosfato, formándose un compuesto inestable de 6C, que se divide en
dos moléculas de ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las
siglas de PGA
2.-Reductiva:El ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido 3
fosfato, también conocido como PGAL ,utilizándose ATP Y NADPH.
3.-Regenerativa/Sintética: Las moléculas de gliceraldehido 3 fosfato
formadas siguen diversas rutas; de cada seis moléculas, cinco se
utilizan para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato y hacer que el ciclo
de calvin pueda seguir, y una será empleada para poder sintetizar
moléculas de glucosa (vía de las hexosas), ácidos grasos,
amoinoácidos... etc; y en general todas las moléculas que necesita la
célula.
En el ciclo para fijar el CO2, intervienen una serie de enzimas, y la más
conocida es la enzima Rubisco (ribulosa 1,5 difosfato
carboxilasa/oxidasa), que puede actuar como carboxilasa o como
oxidasa, según la concentración de CO2
Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar
de ayudar a la fijación de CO2 mediante el ciclo de Calvin, se produce la
oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como
fotorrespiración. La fotorrespiración no debe confundirse con la
respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni
NADPH; y como se ve en el esquema se disminuye el rendimiento de la
fotosíntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al
ciclo de Calvin; en cambio cuando funciona como carboxilasa, se
obtienen dos moléculas de PGA.
La síntesis de ATP en el cloroplasto se explica mediante la hipótesis
quimiosmótica de Mitchell, de forma muy semejante como ocurre en la
mitocondria. El transporte de electrones en la cadena transportadora de
la membrana tilacoidal produce el bombeo de protones desde el estroma
hacia el espacio tilacoidal a nivel del complejo citocromo b6 - f , lo que
genera un gradiente electroquímico. El flujo de protones a favor del
gradiente desde el espacio tilacoidal hasta el estroma, a través del canal
de protones de la ATP - sintasa, activa la síntesis de ATP a partir de
ADP y fosfato.
Los electrones se emplean para reducir el NADP+ a NADPH. El ATP y el
NADPH producidos de esta forma pueden utilizarse en la fase oscura
para las reacciones de síntesis, en las que se reducen moléculas sencillas,
como el CO2, para formar glúcidos.
La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la
Biosfera por varios motivos:
1.-La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza
fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos
seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser
transformada en materia propia por los diferentes seres vivos.
2.-Produce la transformación de la energía luminosa en energía química,
necesaria y utilizada por los seres vivos
3.-En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración
aerobia como oxidante.
4.-La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera
primitiva, que era anaerobia y reductora.
5.-De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en
combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural.
6.-El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería
posible sin la fotosíntesis. Se puede concluir que la diversidad de la
vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.
La glucolisis tiene lugar en el citoplasma celular. Consiste en una serie
de diez reacciones, cada una catalizada por una enzima determinada,
que permite transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de
un compuesto de tres carbonos, el ácido pirúvico
En la primera parte se necesita
energía, que es suministrada por dos
moléculas de ATP, que servirán para
fosforilar la glucosa y la fructosa.
Al final de esta fase se obtienen, en la
práctica dos moléculas de PGAL, ya
que la molécula de DHAP
(dihidroxiacetona-fosfato), se
transforma en PGAL. En la segunda
fase, que afecta a las dos moléculas de
PGAL, se forman cuatro moléculas de
ATP y dos moléculas de NADH. Se
produce una ganancia neta de dos
moléculas de ATP.
Al final del proceso la molécula de
glucosa queda transformada en dos
moléculas de ácido pirúvico, es en
estas moléculas donde se encuentra en
estos momentos la mayor parte de la
energía contenida en la glucosa.
La glucolisis se produce en la mayoría
de las células vivas, tanto en
procariotas como en las eucariotas.
En este gif animado, puedes ver los
cambios sufridos por la molécula de
glucosa hasta transformarse en dos
moléculas de ácido pirúvico
El producto más importante de la degradación de los carburantes
metabólicos es el acetil-CoA, (ácido acético activado con el coenzima
A), que continúa su proceso de oxidación hasta convertirse en CO2 y
H2O ,mediante un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de
Krebs punto central donde confluyen todas las rutas catabólicas de la
respiración aerobia. Este ciclo se realiza en la matriz de la
mitocondria
En este ciclo se consigue la oxidación total de los dos átomos de
carbono del resto acetilo, que se eliminan en forma de CO2; los
electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones se
utilizan para formar NADH Y FADH2, que luego entrarán en la cadena
respiratoria
Sería la etapa final del proceso de la respiración, es entonces cuando
los electrones "arrancados" a las moléculas que se respiran y que se
"almacenan" en el NADH Y FADH2, irán pasando por una serie de
transportadores, situados en las crestas mitocondriales formando
tres grandes complejos enzimáticos.
La disposición de los transportadores permite que los electrones
"salten" de unos a otros, liberándose una cierta cantidad de energía
(son reacciones redox) que sirve para formar un enlace de alta
energía entre el ADP y el P, que da lugar a una molécula de ATP.
El último aceptor de electrones es el oxígeno molecular y otra
consecuencia será la formación de agua.
Según la hipótesis quimiosmótica sostenida por el investigador P.
Mitchell, que es la que goza de mayor prestigio,y puede además explicar
la síntesis de ATP tanto en la mitocondria como en el cloroplasto. La
energía liberada por el transporte de electrones se utiliza para bombear
protones desde la matriz al espacio intermembrana (en mitocondrias); o
desde el estroma al interior del tilacoide (en cloroplastos). El bombeo de
protones se realiza a través de transportadores localizados en complejos
enzimáticas existentes en la membrana (de las crestas mitocondriales o
membrana tilacoidal, según el caso). De esta manera se genera un
gradiente electroquímico de protones que ejerce lo que se conoce como
fuerza protonmotriz, ya que cuando los protones atraviesan de nuevo la
membrana interna (mitacondrial o tilacoidal) a favor del gradiente, lo
hacen a través del sistema ATP-sintetasa, que se encuentra en dichas
membranas, donde la energía protonmotriz se transforma en energía de
enlace en moléculas de ATP .
El proceso se podría comparar con este símil:
El flujo de protones cumple el papel de transductor de energía, del
mismo modo que el vapor que suministra una caldera puede utilizarse para
generar energía eléctrica: el calor aplicado a la caldera (flujo de
electrones) calienta el agua y forma vapor de agua (gradiente
electroquímico de H+), cuya presión (fuerza protonmotriz) se puede
acoplar a las turbinas de un generador eléctrico (ATP sintetasa) para
producir electricidad (ATP).
Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía
almacenada en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula
que interviene en todas las transacciones de energía que se llevan a
cabo en las células; por ella se la califica como "moneda universal de
energía".
El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, contiene
enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos
enlaces se libera la energía almacenada.
En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP,
rompiéndose un sólo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que
suele transferirse a otra molécula en lo que se conoce como
fosforilación; sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces
resultando AMP + 2 grupos fosfato.
El sistema ATP <-> ADP es el sistema universal de intercambio de
energía en las células.
El ciclo de una célula es análogo al de un ser vivo,"nace" mediante la
división de una célula progenitora, crece, y se reproduce. Todo este
proceso es lo que constituye un ciclo celular completo
El ciclo celular comprende cuatro períodos denominados G1, S, G2 Y
Mitosis. El período G1, llamado primera fase de crecimiento, se inicia con
una célula hija que proviene de la división de la célula madre. La célula
aumenta de tamaño, se sintetiza nuevo material citoplásmico, sobre todo
proteínas y ARN.
El período S o de síntesis, en el que tiene lugar la duplicación del ADN.
Cuando acaba este período, el núcleo contiene el doble de proteínas
nucleares y de ADN que al principio.
El período G2, o segunda fase de crecimiento, en el cual se sigue
sintetizando ARN y proteínas; el final de este período queda marcado por
la aparición de cambios en la estructura celular ,que se hacen visibles con
el microscopio y que nos indican el principio de la Mitosis o división
celular. El período de tiempo que transcurre entre dos mitosis, y que
comprende los períodos G1, S, y G2, se le denomina Interfase.
La mitosis es el proceso de división celular por el cual se conserva la información
genética contenida en sus cromosomas, que pasa de esta manera a las
sucesivas células a que la mitosis va a dar origen.
La mitosis es igualmente un verdadero proceso de multiplicación celular que
participa en el desarrollo, el crecimiento y la regeneración del organismo.
El proceso tiene lugar por medio de una serie de operaciones sucesivas que se
desarrollan de una manera continua, y que para facilitar su estudio han sido
separadas en varias etapas.
1.-PROFASE : En ella se hacen patentes un cierto número de filamentos
dobles: los cromosomas.Cada cromosoma constituído por dos cromátidas,
que se mantienen unidas por un estrangulamiento que es el centrómero.
Cada cromátida corresponde a una larga cadena de ADN. Al final de la
profase ha desaparecido la membrana nuclear y el nucléolo. muy
condensada
2.-METAFASE :Se inicia con la aparición del huso, dónde se insertan los
cromosomas y se van desplazando hasta situarse en el ecuador del huso,
formando la placa metafásica o ecuatorial.
3.-ANAFASE : En ella el centrómero se divide y cada cromosoma se separa
en sus dos cromátidas. Los centrómeros emigran a lo largo de las fibras
del huso en direcciones opuestas, arrastrando cada uno en su
desplazamiento a una cromátida.
La anafase constituye la fase crucial de la mitosis, porque en ella se
realiza la distribución de las dos copias de la información genética
original.
4.-TELOFASE:Los dos grupos de cromátidas, comienzan a descondensarse,
se reconstruye la membrana nuclear, alrededor de cada conjunto
cromosómico, lo cual definirá los nuevos núcleos hijos. A continuación
La meiosis es la división celular por la cual se obtiene células hijas con la
mitad de los juegos cromosómicos que tenía la célula madre pero
que cuentan con información completa para todos los rasgos
estructurales y funcionales del organismo al que pertenecen.
PROCESO DE MEIOSIS:
1.-Duplicación de los cromosomas Antes de que se produzca la
primera división los cromosomas se duplican
2.-Primera división meiótica Los cromosomas homólogos se
separan formándose dos células. Observa sin embargo, que los
cromosomas están duplicados, cada uno de ellos está formado
por dos cromátidas unidas por el centrómero.
3.Segunda división meiótica Estamos ante un fenómeno que ya
conoces: la mitosis. Durante esta segunda división los cromosomas
se separan en sus dos cromátidas, dando lugar en este caso a
cuatro células haploides.
La meiosis se produce siempre que hay un proceso de reproducción
sexual.
En la célula existen dos juegos de material genético, es decir "n" parejas
de cromosomas homólogos, uno de origen paterno y otro de origen
materno. En la Profase I, cada cromosoma se aparea con su homólogo
formando lo que se denomina una tétrada, es decir cuatro cromátidas y
dos centrómeros.
Este apareamiento es un rasgo exclusivo de la meiosis, y tiene una
trascendencia fundamental, ya que las cromátidas no hermanas, es decir
paterna y materna, pueden entrecruzarse y romperse en los puntos de
fusión dando lugar a un intercambio y recombinación de segmentos
cromatídicos y por lo tanto de los genes en ellos localizados
La meiosis ocurre mediante dos mitosis consecutivas. La primera división
es reduccional y el resultado es la formación de dos células hijas cada
una con "n" cromosomas.
La segunda división es una división mitótica normal y el resultado final de
la segunda división meiótica es la formación de cuatro células hijas cada
una de las cuales tiene un núcleo con "n" cromátidas
CONSECUENCIAS DE LA MEIOSIS
1.Es el proceso mediante el cual se obtienen células especializadas para
intervenir en la reproducción sexual.
2.-Reduce a la mitad el número de cromosomas, y así al unirse las dos
células sexuales, vuelve a restablecerse el número cromosómico de la
especie.
3.-Se produce una recombinación de la información genética.
4.-La meiosis origina una gran variación de gametos, debido al
entrecruzamiento de segmentos de los cromosomas homólogos.
1.- Señala las semejanzas y diferencias entre las células
procariotas y eucariotas.
2.-Enumera las funciones de la membrana plasmática.
3.¿Cómo definirías el citoesqueleto?
4.-Señala las semejanzas y diferencias entre mitocondrias y
cloroplastos
5.-Enumera las semejanzas y diferencias entre el proceso de
división celular por mitosis y por meiosis
6.-¿Cuáles son las etapas de la mitosis?.
7.-De las distintas etapas de la mitosis, ¿Cuál tiene mayor
duración?.
8.-¿Qué características estructurales del cloroplasto son
esenciales para la fotosíntesis?.
9.-¿Qué se entiende por endocitosis?
10.-Razonar si es cierta o falsa a siguiente frase: "En el
cuerpo humano todas las células obtienen el ATP a partir de
la respiración mitocondrial":
Luego de la realización de todo este trabajo
investigativo nos hemos podido dar cuenta de la
importancia del tema y sobre todo la relevancia que
posee en la vida del hombre ya que el proceso de la
división de las células es el principal proceso para
tantos otros proceso de suma importancia para el
debido funcionamiento del cuerpo humano o animal.
La importancia de cual hacemos referencia muy
merecida es el hecho especifico de que en un proceso
tan desconocido por muchos de nuestra vida y sobre
too nuestro futuro, ya que si lo vemos desde el punto
de vista de la reproducción allí notamos que sin dicho
proceso sería imposible la continuación humana ya que
esta es vital para la reproducción.
AMINOACIDO: unidad constitutiva de los polipéptidos ( proteinas) consta de una base
nitrogenada un acido carboxílico y una cadena lateral de composición variable unida a
un carbono.
BIPARTICION: modo de reproducción asexuada de las bacterias. La célula se divide en
dos
CLOROFILA: pigmento lipidico de los plastos de todos los vegetales que juegan papel
esencial en la fotosíntesis.
ADN: abreviatura del acido desoxiribonuceico . Es la molécula que contiene y transmite
la información genética de los organismos excepto en algunos tipos de virus.
ENDOSIMBIOSIS: caso de simbiosis donde uno de los socios vive en el interior de la
célula del otro.
FENOTIPO: propiedades observables de un organismo, fruto de la interacción entre su
genotipo y el ambiente en que este se expresa.
GENOTIPO: conjunto de los alelos de u individuo en uno, varios o todos sus locis
PIRIMIDINAS: un tipo de bases nitrogenadas de las cuales la timina se encuentra solo
en el ADN, el uracilo solo en el ARN y la citosina en ambos.
PLASTO: nombre genérico que designa los orgánulos citoplasmáticos de los vegetales
que realizan la fotosíntesis.
POLIPÉPTIDOS: polímero formado por aminoácidos unidos por enlaces peptídico.
ARN: abreviatura del acido ribonucleico. Molécula formada por un poli-ribonucleico de
longitud variable que contiene uraclio en vez de timina. Existen 3 tipos: mensajero,
ribosomal y transferente.
SIMBIOSIS: Es la asociación física y duradera de dos organismos vivos. Puede derivar
en un beneficio reciproco o resultar en un parasitismo.
http://www.arrakis.es/~lluengo/biologia1.html
Encarta 2004. Enciclopedia de cultura general.
Sección Biología.
ORTEGA O., Antonio. Ciencias Biológicas Tercer
Año Ciclo Básico Común. Ediciones Atlas.