PSU
-BIOLOGÍA-
CONTENIDOS ACTUALIZADOS 2017
TOMO I
BIOLOGÍA CELULAR,
PROCESOS Y
FUNCIONES VITALES
Edición y revisión
Sebastián Román
Isaac Ibacache
Edición 2017
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Prefacio
Mediante la elaboración de este texto y la recopilación de información, el grupo docente busca entregar herramientas que faciliten la comprensión y aprendizaje de los estudiantes, con el fin de fomentar el desarrollo de un pensamiento lógico con respecto a las ciencias, permitiéndoles enfrentar sin vacilar el desafío de la PSU de biología. Todo esto, teniendo en consideración lo presente que se encuentran en nuestras vidas las ciencias biológicas, ya que, como seres vivos que somos, entenderla es entender procesos propios de nuestro organismo y entorno, lo que nos acerca a un conocimiento que muchas veces se ve lejano y ajeno. Si bien, este libro presenta los contenidos mínimos para enfrentar la prueba, una profundización de ellos permite que puedan ser ampliamente comprendidos, por esto es importante que como estudiantes se hagan preguntas y busquen sus respuestas, más allá de lo que está aquí escrito.
El plan de biología consta de tres tomos, dentro de los cuales, además de los contenidos, encontramos tanto ejercicios PSU como de desarrollo. Los primeros pretenden la familiarización con el formato y los segundos le permitirán al estudiante mejorar su memoria y capacidad de hilar ideas.
El presente tomo aborda los temas de biología celular, metabolismo, ciclo celular, división celular y tejidos. El tomo II trata los temas del sistema endocrino, genética y ecología. El tomo III abarca las temáticas de biología molecular, evolución, sistema nervioso y sistema inmune.
Además, quisiéramos añadir los agradecimientos correspondientes, tanto a los diseñadores y docentes, como a los administrativos del preuniversitario Gauss por la contribución a la creación, revisión y distribución de este material.
Esperamos que aprovechen este texto y se enriquezcan con el conocimiento, no tenemos dudas de que con la ayuda de él podrán cumplir sus metas y enfrentarse de mejor manera a la vida universitaria.
Equipo Editorial Biología
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Tabla de ContenidosCapítulo 1: Biología Celular ... 6
1. La Célula ...6
1.1. Postulados de la teoría celular ...7
1.2. Organización celular ...7
1.2.1. Cuadro sinóptico: niveles de organización ...9
1.3. Célula procarionte ... 10
1.4. Célula eucarionte ... 10
1.5. Ejercicios ... 11
2. Biomoléculas ... 12
2.1.1. Biomoléculas inorgánicas ... 12
2.1.1.1. El agua ... 12
2.1.1.2. Sales minerales ... 14
2.2. Ejercicios ... 15
2.2.1. Biomoléculas orgánicas ... 16
2.2.1.1. Proteínas ... 16
2.2.1.2. Hidratos de carbono ... 17
2.2.1.3. Lípidos ... 18
2.2.1.4. Ácidos nucleicos ... 19
2.3. Ejercicios ... 21
3. Membrana plasmática ... 22
3.1.1. Estructura y función ... 22
3.1.2. Permeabilidad celular ... 23
3.1.3. Transporte pasivo ... 23
3.1.4. Transporte activo ... 25
3.2. Ejercicios ... 26
4. Citoplasma ... 28
4.1.1. Filamentos que componen el citoesqueleto ... 28
4.1.2. Ribosomas ... 28
4.1.3. Organelos membranosos ... 29
4.1.3.1. Organelos propios de la célula vegetal ... 30
4.2. Ejercicios ... 32
4.3. Cuadro sinóptico: Estructuras celulares ... 33
4.4. Cuadro sinóptico: Membrana plasmática y tipos de transporte ... 34
5. Metabolismo celular ... 35
5.1.1. Metabolismo celular ... 35
5.1.2. Reacciones químicas y moléculas elementales del metabolismo ... 35
5.1.3. ATP–Molécula de energía de la célula ... 36
5.1.4. Metabolismo ... 37
5.1.5. Enzimas ... 37
5.1.6. Factores que afectan a la actividad enzimática ... 38
5.2. Ejercicios ... 39
5.2.1. Glicólisis ... 40
5.2.2. Respiración celular ... 41
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5.2.2.1. Fotosíntesis ... 43
5.2.2.2. Reacciones dependiente de la luz ... 44
5.2.2.3. Respiración celular ... 45
5.2.2.4. Factores que afectan la tasa de fotosíntesis ... 45
5.3. Ejercicios ... 46
6. Núcleo celular ... 48
6.1.1. Estructura ... 48
6.1.2. Disposición del material genético en el núcleo... 49
7. Cuadro sinóptico: Célula y estructuras subcelulares ... 50
8. Ejercicios ... 51
9. Ejercicios PSU ... 52
Capítulo 2: Ciclo Celular y Organismo... 59
1. Reproducción celular ... 59
1.1. Reproducción asexual ... 59
1.2. Reproducción sexual ... 60
2. Ciclo celular: interfase y división ... 61
2.1.1. Interfase ... 62
2.1.1.1. Fase G1 ... 62
2.1.1.2. Fase S ... 62
2.1.1.3. Fase G2 ... 63
2.1.1.4. Fase M ... 63
2.1.1.5. Cuadro sinóptico: Ciclo celular... 63
3. Mitosis ... 64
3.1. Profase (2n – 4c) ... 64
3.2. Metafase (2n – 4c) ... 65
3.3. Anafase (4n – 4c) ... 65
3.4. Telofase (2n – 2c por núcleo) ... 65
4. Citodiéresis (Citoquinesis) ... 66
4.1. Ejercicios ... 67
5. Ciclo celular: Meiosis ... 68
5.1. Primera división meiótica (Meiosis I ó Reduccional) ... 68
5.1.1. Profase I (2n – 4c) ... 68
5.1.2. Metafase I (2n – 4c) ... 69
5.1.3. Anafase I (2n – 4c) ... 70
5.1.4. Telofase I (n – 2c por núcleo) ... 70
5.2. Segunda división meiótica (Meiosis II ó Ecuacional) ... 70
5.3. Implicancias biológicas de la meiosis ... 71
5.4. Ejercicios ... 73
5.5. Las células en los organismos pluricelulares ... 74
6. Las células en los organismos pluricelulares ... 75
6.1. Tejidos ... 75
6.1.1. Tejido epitelial ... 75
6.1.2. Tejido conectivo ... 76
6.1.3. Tejido muscular ... 76
6.1.4. Tejido nervioso ... 76
6.2. Comunicación celular... 77
7. Ejercicios ... 78
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8. Ejercicios PSU ... 80
Soluciones ejercicios PSU ... 87
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Capítulo 1: Biología Celular
La organización biológica comienza a partir de los átomos. Estos fueron considerados como la estructura más pequeña de la materia, sin embargo, en la actualidad se sabe que éste puede ser subdividido en partículas subatómicas aún más pequeñas como los electrones, protones y neutrones. Dependiendo de la cantidad y naturaleza de las partículas subatómicas que posea el átomo, serán sus propiedades. Los átomos pueden unirse entre ellos mediante enlaces formando moléculas. En este punto podemos hablar de las propiedades emergentes.
Estas propiedades aparecen en un determinado nivel de organización producto de una nueva organización de las partes. Por ejemplo la molécula de agua está
formada por 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno. A temperatura ambiente tanto el oxígeno como el hidrógeno son gases, sin embargo la molécula de agua se comporta como un líquido, esto quiere decir, que una propiedad emergente no se explica por la suma de sus partes.
Las moléculas que están formadas por una gran cantidad de átomos se denominan macromoléculas. Los carbohidratos, las proteínas y los ácidos nucleídos están representados a este nivel de organización. Las macromoléculas pueden organizarse en complejos denominados organelos. Los organelos son considerados elementos subcelulares ya que desarrollan una función específica dentro de la célula y poseen una estructura bien definida. En la actualidad algunos textos redefinen el concepto de organelo, agregando al concepto anterior el hecho que dichas estructuras están delimitadas por una o dos membranas. Algunos organelos importantes son las mitocondrias, cloroplastos, retículo endoplasmático, etc. En el siguiente paso en el nivel de organización surge la propiedad emergente más importante de todas, la vida. Esto significa que el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo es la célula.
1. La Célula
La célula es un sistema molécular dinámico, organizado, autoconstruible y modificable que está delimitada por una membrana semipermeable. Sus estructuras constituyentes se denominan elementos subcelulares, los cuales permiten su actividad constante, dentro de ellos se encuentran los organelos. Durante mucho tiempo no se entendía cómo funcionaba la vida de los organismos, sin embargo ciertas observaciones realizadas durante muchos años, lograron recopilar la información necesaria para consolidar los 4 postulados de Teoría celular.
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1.1. Postulados de la teoría celular1. La célula es la unidad estructural de la vida. Todos los seres vivos están formados de células.
2. La célula es la unidad funcional de la vida. Todas las funciones de fisiológicas de los seres vivos son explicadas por el funcionamiento de cada una de células.
3. La célula es la unidad de origen. Toda célula se origina de otra preexistente.
4. La célula es la unidad genética de los seres vivos, ya que contiene el material genético que puede ser transmitido a otras generaciones.
1.2. Organización celular
Dentro de los tipos de seres vivos encontramos los unicelulares compuestos por una sola célula, donde se llevan a cabo todas sus funciones vitales, y los pluricelulares los cuales están compuestos por dos o más células. En éstos últimos organismos las células pueden agruparse con diferentes niveles de organización y formar tejidos, órganos, sistemas y finalmente un organismo, como se ejemplifica a continuación.
Tipo celular Ejemplo Nombre
Bacteria Escherichia coli. Reino Monera.
Célula Procarionte
Unicelular
Género Euglena. Reino Protista. Célula eucarionte
Célula Vegetal Reino Vegetal Célula eucarionte Autótrofos (Realizan fotosíntesis)
Pluricelular
Célula Animal Reino Animal Célula eucarionte.
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Existen diferentes tipos celulares: una de las clasificaciones celulares más importantes es la división entre células procariontes y eucariontes.
Célula Tejido Órgano Sistema Organismo
Célula eucarionte Sangre Corazón Sistema
circulatorio Humano
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1.2.1. Cuadro sinóptico: niveles de organización
Átomo
Molécula
Organelo
Célula
Tejido
Órgano
Sistema
Organismo
Población
Comunidad
Ecosistema
Biosfera
UNIDAD BÁSICA DE LA MATERIA. Todos los elementos de la tabla periódica.
Moléculas inorgánicas: O2, N2, CO2, H2O.
Moléculas orgánicas: Carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, clorofila.
Membrana simple: RER, REL, aparato de Golgi, lisosoma, peroxisoma .
Membrana doble: Mitocondria, cloroplasto, núcleo.
UNIDAD BÁSICA DE LOS SERES VIVOS.
Bacterias, levaduras, protozoos, neuronas, hepatocitos, macrófago.
Animal: Epitelial, conectivo, nervioso, muscular (tejidos básicos). Vegetal: Meristemo, parénquima, colénquima, esclerénquima, xilema y floema.
Animal: Elefante, águila, cocodrilo, rana, hormiga, lombriz, humano
Vegetal: Árbol, arbusto, hierba, pasto, algas
Animal: Estómago, corazón, pulmón, cerebro, hueso, hígado Vegetal: Raíz, hoja, tallo, flor, fruto
Animal: Digestivo, cardiovascular, respiratorio, nervioso, locomotor, endocrino
Vegetal: Vascular, fundamental, protección
Organismos de una misma especie que comparten un tiempo y lugar geográfico
Organismos de distintas especies que coexisten en un tiempo y lugar geográfico.
También se denomina biocenosis.
Conjunto de todos los ecosistemas terrestres Comunidad + factor abiótico (aire, agua, suelo)
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1.3. Célula procarionteSon las células primitivas que aparecieron hace millones de años atrás y fueron las que dieron origen a los diferentes tipos de vida en la tierra. Se caracteriza por NO poseer un núcleo definido, y no poseer organelos celulares, pero si especializaciones subcelulares, como mesosomas y ribosomas. Los organismos del reino Mónera (bacterias) están constituidos por este tipo de células.
1.4. Célula eucarionte
Se originaron a partir de células procariontes. Existen varias teorías con respecto a su origen, una de las más importantes, la teoría endosimbiótica plantea que la célula eucarionte se habría generado de englobamientos seriados de células procariontes. De ésta forma se habrían formado organelos como los cloroplastos, mitocondrias y otros. Organismos compuestos de células eucariontes son por ejemplo, los hongos, las plantas y los animales, mientras que organismos compuestos por células procariontes son las bacterias y las arqueas.
Célula Eucarionte Célula Procarionte
Presente en organismos protistas, animales, vegetales y hongos.
Presente en bacterias
Presente en organismos uni y pluricelulares Presente en organismos unicelulares
Posee un núcleo definido No posee un núcleo definido (Nucleoide)
Organelos presentes solo en célula eucarionte:
- Mitocondrias
- Cloroplastos (célula vegetal) - Retículo endoplasmático
- Aparato de Golgi
Elementos subcelulares presentes sólo en células procariontes:
- Cápsula
- Mesosomas
Ambos tipos celulares presentan.
- Citoplasma
- Ribosomas
- Memb. plasmática.
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1.5. Ejercicios ¿A qué se refiere la frase “la célula es la unidad estructural de la vida”?
¿Qué tipo celular posee núcleo definido?
¿Cuál es la principal característica de las células autotróficas?
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2. BiomoléculasLas biomoléculas reciben éste nombre debido a que son moléculas que cumplen un rol importante en el funcionamiento de los procesos biológicos. Estas moléculas están formadas en su mayoría por sólo seis elementos químicos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fosforo y azufre. Existen otros
elementos químicos que se encuentran en los seres vivos, pero en menor proporción, como el sodio, el potasio, el calcio, el magnesio y el fierro. Se debe recordar que una molécula está formada por átomos del mismo o de diferentes elementos unidos mediante enlaces que pueden ser covalentes o iónicos.
Las biomoléculas pueden ser clasificadas de acuerdo a su naturaleza química en inorgánicas u orgánicas. Entre Las biomoléculas inorgánicas encontramos el agua y las sales minerales. Por otra parte, las biomoléculas orgánicas las encontramos exclusivamente en los seres vivos, son altamente complejas y su estructura está basada en el carbono.
2.1.1. Biomoléculas inorgánicas
2.1.1.1. El agua
El agua constituye entre el 50% al 90% de la masa de los seres vivos, cumpliendo un rol importantísimo en el funcionamiento celular. Las propiedades tan particulares del agua que permiten la actividad biológica, se deben a que su molécula posee un comportamiento de dipolo, es decir, posee una zona eléctricamente positiva y otra negativa. Este comportamiento se produce debido a que el oxígeno atrae los electrones del hidrógeno, formando así una zona negativa y dejando a los hidrógenos con deficiencia de electrones formando una zona positiva, como se muestra en la siguiente figura:
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El comportamiento de dipolo le permite a las moléculas de agua interactuar entre ellas mediante enlaces de hidrógeno en donde la zona positiva (hidrógenos) son atraídos por la zona negativa (oxígeno). Este tipo de enlace intermolécular, denominado enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno, le permite al agua poseer propiedades únicas como:
Alta tensión superficial: Las interacciones entre las moléculas de agua permiten que en la superficie de ésta se forme una capa con mayor tensión, aumentando la resistencia a alguna perturbación. Esto permite, por ejemplo, que los insectos se posen sobre el agua, o que una aguja pueda permanecer sobre la superficie de ésta sin hundirse a pesar de tener mayor densidad que el agua.
Alto calor específico: El calor específico se define como la cantidad de calor que debe agregarse a una sustancia para que ésta aumente en 1°C su temperatura. El calor específico del agua es 1 cal/g°C, esto significa que para aumentar en 1°C la temperatura de 1 g de agua, se debe suministrar 1 caloría. Comparado con otras sustancias, al agua se le debe añadir mucho calor para que ésta varíe su temperatura. Esta propiedad le permite a los seres vivos mantener una temperatura relativamente constante. Además, el agua posee alto calor de vaporización (calor disipado al pasar de estado líquido a gaseoso) y alto calor de fusión (calor disipado al pasar de estado sólido a gaseoso) lo que también permite el equilibrio térmico tanto en los seres vivos como en el ecosistema en general.
La densidad del agua disminuye al congelarse debido al ordenamiento de sus moléculas, lo que le permite al hielo flotar. Esta propiedad a su vez, le permite a los seres marinos vivir bajo el agua, aun bajo temperaturas ambientales bajo cero.
La temperatura de solidificación del agua disminuye al haber solutos disueltos en ella, lo cual permite a las células protegerse de las bajas temperaturas aumentando su concentración interna de soluto.
El agua como solvente universal. Los enlaces oxígeno-hidrógeno de la molécula de agua son altamente polarizados, por lo que estas moléculas constituyen dipolos con cargas parciales positivas y negativas. Estas cargas hacen que el agua sea un solvente polar y así disuelve a un sin número de sustancias polares, entre ellas compuestos iónicos. Por esto el agua puede disolver a la sal de mesa y al azúcar, ya que ambas son moléculas polares.
El agua posee un pH neutro ya que se disocia en iones hidroxilo (OH-) e iones hidrógeno (H+) en igual proporción. El pH neutro permite que se lleven a cabo una infinidad de reacciones químicas y además protege a la célula del poder corrosivo procedente de pH muy ácidos o muy básicos.
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2.1.1.2. Sales mineralesLas sales minerales se encuentran en baja proporción en los seres vivos a comparación de otros elementos pero cumplen un rol vital en las funciones biológicas.
Sodio y potasio: Ambos cationes participan en la transmisión del impulso nervioso. Son los principales cationes extra e intracelular, respectivamente. El sodio participa en el balance hídrico.
Calcio: Catión que cumple un rol importante durante la contracción muscular y la coagulación sanguínea. Forma parte de huesos y dientes. Además participa en la regulación de variados procesos celulares como segundo mensajero.
Hierro: Participa en el intercambio gaseoso de O2 y CO2, ya que está presente en la hemoglobina de los glóbulos rojos.
Magnesio: Participa en procesos de absorción de energía luminosa pues está presente en la clorofila de las células vegetales. Además participa como cofactor de reacciones enzimáticas.
Moléculas de hemoglobina y clorofila.
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2.2. Ejercicios ¿Cuál es la función del catión Na+?
¿Qué propiedades posee el agua debido a su cualidad de molécula dipolar?
¿Cuál es el mineral que participa en el intercambio gaseoso?
¿Qué significa que tenga un elevado calor específico?
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2.2.1. Biomoléculas orgánicas
Las biomoléculas orgánicas están constituidas principalmente por cadenas de carbono y son moléculas de alta complejidad. El átomo de carbono puede asociarse mediante 4 enlaces covalentes a otro elemento, lo que le entrega una amplia gama de moléculas y macromoléculas que se pueden formar a partir de él. Así, se pueden distinguir cuatro biomoléculas orgánicas fundamentales: Proteínas, Hidratos de carbono, Lípidos y Ácidos nucleicos. En el siguiente cuadro se resumen las principales características de las biomoléculas orgánicas.
2.2.1.1. Proteínas
Las proteínas están compuestas por C, H, O y N, y pueden presentar además S y P. Las proteínas constituyen polímeros formados por subunidades (monómeros) denominados aminoácidos. Los aminoácidos están constituidos por un carbono central al cual se le une un hidrógeno, un grupo amino (-NH2), un ácido carboxílico (-COOH), y una cadena lateral que varía de un aminoácido a otro.
Los aminoácidos se unen entre sí por un enlace covalente llamado enlace peptídico, mediante una reacción de síntesis por deshidratación en donde se pierde una molécula de agua por cada enlace formado. Cuando se unen dos aminoácidos se forma un dipéptido, cuando se unen más de 10 aminoácidos, un polipéptido y la unión de polipéptidos da origen a una proteína.
En total se conocen 20 aminoácidos, con los cuales se sintetizan una gran variedad de proteínas diferentes. Así, las proteínas se pueden distinguir entre ellas dependiendo de la cantidad, el tipo de aminoácidos que la conforman y el lugar que estos ocupan dentro de la proteína. Los aminoácidos pueden ser sintetizados por el propio organismo (aminoácidos no esenciales) o provenir de la degradación de proteínas presentes en los alimentos. Si éstos son indispensables en el organismo y éste no es capaz de sintetizarlos, o su síntesis es insuficiente de acuerdo a los requerimientos, se denominan aminoácidos esenciales. Estos últimos varían entre las distintas especies, la edad del individuo e incluso su estado de salud. Para el hombre son aminoácidos esenciales: arginina, lisina, metionina, triptófano, valina, isoleucina, histidina, treonina, fenilalanina y leucina.
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Debido a que los aminoácidos que conforman una proteína poseen diversos grupos laterales, éstos pueden interaccionar entre sí para formar estructuras, las que pueden clasificarse en:
Estructura primaria: Corresponde a la cadena lineal de aminoácidos, uno al lado del otro, unidos mediante el enlace peptídico.
Estructura secundaria: Es la ordenación espacial de las cadenas peptídicas considerando interacciones débiles entre las cadenas laterales de los aminoácidos que conforman la proteína. Estas interacciones son principalmente de tipo puente de hidrógeno, pero también pueden ser interacciones electrostáticas. Las estructuras secundarias más comunes son la lámina plegada (beta) y la hélice alfa, pero también pueden presentarse estructuras secundarias al azar.
Estructura terciaria: Es la organización tridimensional de varias estructuras secundarias las cuales son estabilizadas por puentes de hidrógeno y enlaces covalente, principalmente a través de enlaces disulfuro o puentes disulfuro(S-S).
Estructura cuaternaria: Cuando una proteína está conformada por más de una cadena peptídica, cada una de ellas adquiere, en forma independiente, su estructura primaria, secundaria y terciaria, para luego asociarse a través de interacciones fuertes o débiles, formando la estructura cuaternaria.
Las proteínas son las biomoléculas más versátiles de la célula, ya que pueden llevar a cabo un sinfín de funciones, ya sean estructurales, como componente de membranas, cápsulas y citoesqueleto; hormonales, como la insulina; de transporte, como la hemoglobina que transporta oxígeno en el interior de los glóbulos rojos; contráctiles, como la actina y miosina en las células musculares; inmunológicas, como los anticuerpos; y enzimáticas ya que catalizan las reacciones celulares.
2.2.1.2. Hidratos de carbono
Los hidratos de carbono o carbohidratos están constituidos principalmente de carbono e hidrógeno (de ahí su nombre) y en menos proporción por oxígeno. Son las principales moléculas que almacenan la energía química sintetizadas por las plantas y que nosotros consumimos. Los carbohidratos se pueden clasificar en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos son los azúcares más simples, formados por una única unidad. Éstos se subclasifican de acuerdo al número de carbonos que poseen en: Triosas (3C), Tetrosas (4C), Pentosas (5C), Hexosas (6C), Heptosas (7C). Dos monosacáridos, iguales o distintos, pueden unirse mediante la formación de un enlace covalente llamado enlace glucosídico para generar así un disacárido, entre los cuales encontramos: sacarosa (glucosa + fructosa), lactosa (glucosa + galactosa) y maltosa (glucosa + glucosa). Si se unen más de 100 monosacáridos mediante enlaces glucosídicos se obtienen polímeros de carbohidratos denominados polisacáridos, como lo son el almidón, la celulosa y el glucógeno.
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Si bien los tres polisacáridos son polímeros de glucosa, la forma en que se establecen sus enlaces les otorga propiedades diferentes. El almidón cumple un papel de almacenamiento energético. Las plantas, por ejemplo, transforman la energía lumínica en energía química guardándola en forma de almidón. El glucógeno es la molécula a través de la cual los animales almacenan energía. Se sintetiza en el hígado y puede hidrolizarse en moléculas más sencillas cuando el organismo está falto de energía. La celulosa tiene un rol estructural y no de almacenamiento, formando parte de la pared celular en las plantas y no es digerible por los animales, ya que carecen de enzimas para ello. Encontramos oligosacáridos formando parte esencial de la membrana plasmática, siendo importante en el reconocimiento celular, señalizadores celulares y confieren resistenciamecanica en la matriz extracelular.
2.2.1.3.Lípidos
Los lípidos son de naturaleza variada, sin embargo a todos los caracteriza el no poder disolverse en agua. Se debe recordar que el agua tiene una naturaleza polar (posee una carga parcial positiva y una negativa) y los lípidos se caracterizan por ser apolares (sin carga). La unidad estructural de la mayoría de los lípidos son los ácidos grasos, que se encuentran en los lípidos macromoléculares como los triglicéridos y los fosfolípidos. Además, encontramos otro tipo de lípidos que poseen anillos alifáticos (constituidos de -CH2) como algunos esteroides, vitaminas y hormonas.
Ácidos grasos: Estructurados por una cadena hidrocarbonada y su extremo presentan un grupo carboxilo (COOH). Los carbonos de la cadena pueden estar unidos sólo por enlaces simples (ácido graso saturado) o presentar a lo menos un enlace doble o triple (ácido graso insaturado), en este caso la molécula posee mayor flexibilidad. Los ácidos grasos forman parte de otros lípidos de mayor complejidad.
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Triglicéridos: Se forman a partir de 3 ácidos grasos y una molécula de glicerol mediante una reacción de deshidratación llamada esterificación. En animales se encuentra en el tejido adiposo y en vegetales se encuentra en forma de aceite. Los triglicéridos pueden ser saturados o insaturados dependiendo de los ácidos grasos que contenga.
Fosfolípidos: Son parecidos a los triglicéridos, sin embargo, poseen sólo 2 ácidos grasos unidos al glicerol y un grupo fosfato, el cual, a su vez, está unido a un grupo polar llamdo colina. El grupo polar es hidrofílico y sus ácidos grasos son hidrofóbicos, esta dualidad le otorgan la denominación de molécula anfipática. Al estar en contacto con el agua las colas hidrofóbicas se atraen formando micelas, monocapas y bicapas.
Esteroides: El más conocido es el colesterol, el que cumple con un rol estructural en las células formando parte de las membranas plasmáticas, además es el precursor de diferentes mensajeros químicos como las hormonas sexuales y las corticoadrenales.
Carotenoides: Son pigmentos accesorios. Estas moléculas se encuentran en las plantas y su principal función es captar energía luminosa en longitudes de onda diferente a la de la clorofila, dan colores llamativos a frutos y flores, lo que es importante en el proceso de polinización. De los carotenos derivan ciertas moléculas importantes como la vitamina A (retinol). Se caracterizan por tener propiedaes antioxidantes.
2.2.1.4. Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos están formados por C, H, O, N y P. La unidad fundamental o monómero es el nucleótido, éste se conforma de una azúcar de 5C (pentosa), un grupo fosfato, y una base nitrogenada, la que puede ser guanina (G), citosina (C), adenina (A), timina (T) o uracilo (U). Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlace covalente llamado enlace fosfodiéster. La unión de una base nitrogenada con una pentosa se conoce con el nombre de nucleósido.
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Existen dos tipos de ácidos nucleicos: El ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN).
Ácidos ribonucleicos
Nombre Ácido desoxirribonucleico (ADN)
Ácido ribonucleico (ARN)
Estructura Doble hebra Hebra simple
Función Molécula que almacena la información genética.
Molécula que sirve como intermediario entre la información que se encuentra en el núcleo y la síntesis proteica de esta que
ocurre en el citoplasma (ARNm).
Forma parte del ribosoma (ARNr). Se encuentra formando ARNt, molécula que transporta aminoácidos al ribosoma. Posee función energética (ATP) y forma moléculas reductoras como NADH, FADH y NADPH.
Formada por…
Fosfato.
Azúcar: Dexosirribosa (pentosa)
Base nitrogenada: T-A, C-G
No contiene Uracilo.
Fosfato.
Azúcar: Ribosa (con un grupo OH más en el carbono 2 de Pentosa) Base nitrogenada: U, C, G, A. No contiene Timina.
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2.3. Ejercicios ¿Cuál es la diferencia entre los polisacáridos, glucógeno y almidón?
¿Qué biomolécula NO forma parte de la membrana plasmática?
¿Puede la estructura terciaria de las proteínas ser de forma alfa-hélice? Justifique
¿Qué tipo de enlace permite la unión entre dos aminoácidos? ¿Es lo mismo que una amida?
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3. Membrana plasmática3.1.1. Estructura y función
La membrana plasmática es una estructura formada principalmente por lípidos y proteínas que rodea a la célula y la contiene, permitiendo que los procesos químicos sucedan al interior de la célula en forma aislada, y diferenciando así el contenido intracelular del extracelular. Además, la membrana plasmática puede captar mensajes del medio extracelular mediante receptores de membrana, permite el paso selectivo de sustancias desde el interior al exterior de la célula y viceversa. Contiene enzimas en su superficie capaces de realizar reacciones químicas importantes y posee proteínas que le permiten la unión e intercambio entre células.
La estructura de la membrana plasmática se compone de una bicapa lipídica formada por fosfolípidos. En las células animales también encontramos colesterol, el que funciona como un estabilizador de la rigidez de la membrana, a altas temperatura cuando los fosfolípidos se comportan como líquidos, el colesterol aportara rigidez, en cambio a bajas temperaturas, cuando los fosfolípidos se comporten como grasas (sólidos) el colesterol aportara fluidez a la membrana. Las proteínas se encuentran embebidas en la bicapa y en constante movimiento. Se denominan proteínas intrínsecas o transmembrana a las proteínas que atraviesan la bicapa, y extrínsecas o periféricas cuando se encuentran sobre una de las caras de la membrana. De la observación de esta composición se postuló el modelo actual de la estructura de la membrana plasmática conocido como Modelo de Mosaico Fluido. Por último, en la membrana también podemos encontrar hidratos de carbono, los cuales se asocian a lípidos y a proteínas formando respectivamente glicolípidos y glicoproteínas, su función principal es el reconocimiento celular en la superficie externa de la membrana.
Dentro de las proteínas de membrana encontramos: receptores que captan mensajeros químicos y desencadenan una respuesta celular; enzimas que catalizan (aceleran) reacciones químicas y transportadores que trasladan moléculas no liposolubles a través de la membrana.
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3.1.2. Permeabilidad celular
La permeabilidad celular corresponde a la capacidad que posee la célula de dejar fluir moléculas desde el interior de la célula hacia el exterior y viceversa. La membrana plasmática es sumamente selectiva, es decir, la encargada de controlar la permeabilidad celular. Es altamente impermeable a las moléculas grandes y/o que poseen carga, como por ejemplo la glucosa y los iones, mientras que permite el paso de moléculas pequeñas y sin carga sin mayor dificultad, como el agua, el CO2 o el O2. Para comprender mejor la selectividad de la membrana o bien cómo ésta permite el paso de sustancias debemos definir primero algunos conceptos:
Solución: Mezcla homogénea de dos componentes; el que se encuentra en mayor proporción se denomina solvente; y los otros que se encuentran en menor proporción se denominan soluto.
Concentración: Proporción entre la cantidad de soluto y solvente que hay en la solución. Por ejemplo si agregas 30g de azúcar a 1 litro de agua la concentración de esa solución será 30 g/L.
Gradiente: Diferencias de concentración en dos puntos, por ejemplo cuando agregas una cucharadita de azúcar a una taza de té, el agua que está inmediatamente al lado de la cuchara tendrá una concentración mayor de azúcar que el agua que se encuentra a mayor distancia de la cuchara. La diferencia entre la concentración cerca de la cuchara y el extremo más lejano se denomina gradiente. Luego al revolver, la concentración de azúcar en el té es igual y se llega a un equilibrio, por lo tanto el gradiente desaparece.
Difusión: Movimiento azaroso de las partículas que les permite distribuirse homogéneamente en una solución.
El transporte a través de la membrana plasmática se puede clasificar en función de si se necesita o no gastar energía para transportar el soluto en Transporte Pasivo o Transporte Activo.
3.1.3. Transporte pasivo
Es el intercambio simple de moléculas de una sustancia a través de la membrana plasmática. Este tipo de transporte no requiere gasto energético ya que se da a favor del gradiente de concentración, es decir, desde el lugar donde hay una mayor concentración hasta donde hay una menor. El transporte pasivo se puede clasificar en:
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Difusión simple: La membrana plasmática permite el paso de pequeñas moléculas polares (etanol y urea), gases (CO2, O2, N2) y moléculas apolares (lípidos). La velocidad de difusión es directamente proporcional al gradiente de concentración.
Osmosis: Es el movimiento del agua desde una zona de menor concentración de soluto (hipotónica) a una de mayor concentración (hipertónica) hasta alcanzar un equilibrio. Gracias a la membrana plasmática, en la célula existe un control tanto de la concentración de solutos intracelular como de la extracelular. Esto es importante para que la célula no sufra daño. El medio adecuado para la sobrevivencia de la célula es una solución isotónica, o sea que haya la misma concentración en el interior que en el exterior de la célula. Por ejemplo, si una célula es introducida en un medio hipertónico esto provocaría la salida de agua de la célula, encogiendo el tamaño del citoplasma, en las células animales este proceso recibe el nombre de crenación, en las vegetales plasmólisis. Por el contrario, si se coloca una célula en una solución hipotónica esta se hinchará hasta reventarse (citólisis) o, si se trata de una célula vegetal, la pared impedirá la ruptura pero se hinchará (turgencia).
Difusión facilitada: Este tipo de difusión permite el paso de moléculas que no pueden atravesar la membrana plasmática por sí mismas, ya sea por su naturaleza polar o su tamaño, necesitando de transportadores y/o canales iónicos Los canales iónicos son proteínas con forma hueca que permiten el paso de los iones como Na+, K+, Ca2+, que participan en el impulso nervioso y en la traducción de señales celulares. Los transportadores al igual que los canales iónicos son proteínas, sin embargo al transportar a las moléculas sufren un cambio conformacional que les permite pasar el soluto hacia el otro lado de la membrana. La velocidad de difusión de moléculas depende, además del gradiente de concentración, de la cantidad de canales o transportadores que estén activos, ya que una vez que se han saturado, la velocidad de la difusión descenderá aunque no se haya logrado el equilibrio.
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3.1.4. Transporte activo
Este tipo de transporte de sustancias a través de la membrana plasmática se caracteriza por realizarse en contra del gradiente de concentración de dichas sustancias, es decir desde una menor concentración hacia una zona de mayor concentración. Para que esto ocurra debe haber un gasto de energía.
Las bombas son de naturaleza proteica y pueden transportar moléculas en contra de su gradiente de concentración ya que poseen actividad enzimática que hidroliza ATP. La más conocida es la bomba de sodio- potasio. Esta bomba mantiene un gradiente electroquímico constante en la membrana plasmática puesto que aumenta forzadamente la concentración extracelular de sodio y la concentración intracelular de potasio. Esto permite la propagación del impulso nervioso. Por cada molécula de ATP hidrolizada, la bomba de sodio-potasio ingresa 2 iones potasio y saca 3 iones sodio. A este tipo de transportador se le llama transportador primario.
Los cotransportadores son proteínas que movilizan elementos en contra de su gradiente de concentración aprovechando el flujo de otra partícula a favor de su gradiente, así como se mueven las astas de un molino gracias al viento, existen cotransportadores que movilizan glucosa gracias a los gradientes de sodio. Estos pueden ser clasificados como simporte, si ambas partículas se mueven en el mismo sentido, y antiporte si se mueven en sentidos opuestos (intra o extracelular). A este tipo de transportador se le llama transportador secundario ya que depende de los gradientes generados por las bombas.
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Transporte mediado por vesículas: Es un tipo particular de transporte activo que ocurre ante la presencia de sustancias o moléculas de tamaño significativamente mayor, que no pueden ingresar o salir de la célula por los medios anteriormente mencionados. Las vesículas son invaginaciones de la membrana plasmática que permiten la formación de una esfera que en su interior contiene la sustancia o molécula que ingresa o sale de la célula. Existen dos tipos de transporte mediado por vesículas:
Endocitosis: Incorporación de partículas en solución o de partículas grandes mediante invaginaciones de la membrana plasmática. La endocitosis de grandes masas de líquidos se llama pinocitosis y de partículas grandes como virus, bacterias se denomina fagocitosis.
Exocitosis: Excreción mediante vesículas de partículas grandes, principalmente deshechos, desde el interior hacia el exterior celular. Las vesículas exocíticas al llegar cerca de la membrana plasmática se fusionan con ella y liberan al exterior su contenido.
3.2. Ejercicios
Si se desea demostrar el fenómeno de crenación, ¿qué tipo de célula y qué solución se necesitaría utilizar?
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¿Cuál es la función principal de los glicolípidos y las glicoproteínas en la membrana plasmática?
Con relación al gradiente, ¿cuándo se dice que el sistema alcanza el equilibrio?
Con respecto al agua, ¿cómo cruza la membrana celular? ¿cuándo su paso es a través de osmosis, pasa a través de las acuaporinas o a través de la membrana celular?
Con respecto a los fenómenos de transporte ¿A qué corresponde la liberación de dopamina al espacio intersináptico? ¿Cómo podría explicar la turgencia de las plantas luego de ser regadas? ¿Qué células del sistema inmune y cuáles del páncreas realizan endocitosis y exocitosis respectivamente?
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4. CitoplasmaLa membrana plasmática define un medio extracelular y un medio intracelular, este último recibe el nombre de citoplasma. El citoplasma está constituido de dos partes, el citosol y los organelos membranosos celulares. El citosol es una solución acuosa gelatinosa donde se encuentran embebidos componentes celulares no membranosos, como el citoesqueleto, los centriolos y los ribosomas, que se estudiarán más adelante. El citoesqueleto es un conjunto de filamentos proteicos responsable de mantener la estructura celular, los movimientos celulares y el desplazamiento de organelos, vesículas y partículas. Existen 3 tipos de filamentos citoesqueléticos, tal como se muestra en la figura.
4.1.1.
Filamentos que componen el citoesqueleto
Filamentos delgados o microfilamentos: Son polímeros de la proteína globular actina. Participan durante la contracción muscular, la citodiéresis (partición del citoplasma), fagocitosis y mantención de la forma celular. Son responsables de los movimientos ameboides de unicelulares y algunas células pluricelulares. Además, dan el soporte estructural a las microvellosidades intestinales.
Filamentos intermedios: Están formados por variadas proteínas no globulares. Su función principal es de soporte celular y resistencia ante estrés mecánico. Además, forman parte de las uniones célula a célula, denominados desmosomas y hemidesmosomas.
Filamentos gruesos: Filamentos cilíndricos y huecos formados por dímeros de la proteína globular tubulina, denominados microtubulos. Participan en los movimientos de cromosomas durante la mitosis, y el movimiento de cilios y flagelos en células eucariontes unicelulares. Son responsables del desplazamiento y organización de organelos al interior de la célula.
4.1.2.
Ribosomas
Los ribosomas son estructuras macromoléculares, antiguamente considerados organelos, cuya función es la de sintetizar proteínas. Están compuestos por ARN ribosomal y proteínas, y se organizan en dos subunidades (mayor y menor). Son sintetizados en el nucléolo. Existen ribosomas libres en el citoplasma y otros asociados al retículo endoplásmico. Los primeros sintetizan proteínas solubles, mientras que los segundos sintetizan proteínas de membrana o que van a ser secretadas.
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4.1.3.
Organelos membranosos
Corresponden a compartimientos citoplasmáticos delimitados por membranas lo que permite aislar las reacciones químicas y de esta forma no interferir entre los procesos celulares Estas estructuras comprenden casi la mitad del volumen celular.
Organelo Descripción
Retículo endoplasmático liso (REL): Tubos huecos delimitados por una membrana. Entre sus funciones más importante se encuentra la síntesis de lípidos y le detoxificación de sustancias tóxicas (alcohol, medicamentos, etc). Además, acumula calcio y posee un rol clave en la contracción muscular liberando el calcio que contiene.
Retículo endoplasmático rugoso (RER): Sacos membranosos delimitados por una membrana, su aspecto rugoso se debe a la presencia de ribosomas. Los ribosomas tienen la función específica de sintetizar proteínas, en ellos se sintetizan proteínas de membrana y proteínas que van a ser secretadas, por lo que una célula secretora proteínas tendrá más desarrollado este organelo.
Aparato de Golgi: Sacos membranosos aplanados y paralelos entre sí. Su función es recibir las proteínas sintetizadas en el RER, modificarlas y luego empaquetarlas en vesículas de secreción para ser exocitadas. Además dirige a las proteínas a su lugar de destinación; a otros organelos celulares o a la membrana plasmática añadiéndole señales moléculares que indican su destino. Participa en la fabricación de lisosomas. Realiza modificaciones post-transduccionales a las proteínas.
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Lisosomas: Vesículas membranosas que en su interior contiene altas concentraciones de enzimas hidrolíticas. Para el funcionamiento de las enzimas, el interior del lisosoma tiene un pH ácido. Su función es la digestión celular en donde se une a vesículas endocitadas para digerir lo que hay en su interior. Participa en procesos de digestión, autofagia, (digestión de organelos envejecidos) y procesos de autolisis en donde vierte su contenido enzimático en el citoplasma células provocando la destrucción de la célula. Poseen membrana simple.
Peroxisomas: Vesículas membranosas que en su interior contiene la enzima catalasa. Ésta enzima cataliza la reacción que transforma al peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, evitando que el peróxido dañe a la célula. Poseen membrana simple.
Mitocondrias: Organelo formado por dos membranas una interna con pliegues denominados crestas mitocondriales y otra externa. La principal función de las mitocondrias es la respiración celular. Este proceso comienza en el citosol, pero es en el interior de la mitocondria en donde se utiliza el oxígeno como agente oxidante para llevar a cabo las reacciones que formarán ATP, y de esta forma obtener energía para la célula.
4.1.3.1.
Organelos propios de la célula vegetal
Las células vegetales se diferencian de las células animales no sólo en su fisionomía, sino además en los organelos que contienen y que le otorgan a la célula vegetal características propias. Por ejemplo, la pared celular otorga la resistencia a los cambios de presión de turgencia (presión del agua al interior de la célula). Los plastidios, como las cloroplastos, poseen pigmentos fotosintéticos (clorofila) que le permiten captar la energía lumínica del sol y transformarla en energía química, acumulándola en moléculas como los hidratos de carbono, este proceso de denomina fotosíntesis. La vacuola presente en la célula vegetal es un gran compartimiento estable delimitado por una membrana, que en su interior posee agua y sustancias disueltas como electrolitos y carbohidratos. Su función es la de regular la presión osmótica de la célula, además participa en el crecimiento celular ya que al aumentar de volumen permite que la pared celular pueda elongarse. Además, es capaz de almacenar otras sustancias como alcaloides, pigmentos y terpenos, estos últimos le otorgan color y olor a las estructuras vegetales respectivamente.
2H
2O
2
2H
2O + O
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Las principales características de los organelos propios de la célula vegetal:
Pared celular: Constituida por celulosa (polisacárido). No ejerce una función relacionada con el paso de sustancias al interior celular. Impide el rompimiento de la célula. Es considerado una estructura subcelular como los ribosomas ya que no es un compartimiento celular delimitado por una o más membranas.
Plastidios:
o Cloroplastos: Delimitados por dos
membranas, su membrana interna forma discos llamados tilacoides donde se encuentra la clorofila. Encargados de realizar la fotosínteis.
o Cromoplastos: Poseen pigmentos de color amarillo, rojo y naranja que le dan color a frutos y flores.
o Leucoplastos: No poseen pigmentos, su función es de almacenamiento. Dentro de este grupo se encuentran los amiloplastos, que contienen almidón en su interior.
o Etioplastos: Son cloroplastos que no han sido expuestos a luz, y que reactivan su actividad fotosintética cuando son expuestos.
Vacuola: gran compartimiento celular delimitado por una membrana. Participa en el crecimiento celular, regulación de la presión osmótica y almacenamiento de sustancias.
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4.2. Ejercicios ¿De qué organelo obtienen las plantas la mayor cantidad de ATP?
¿En qué organelo celular se produce la mayor cantidad de síntesis ATP?
¿Cuál es la principal característica del retículo endoplasmático rugoso?
¿Cuál es el principal componente de la pared celular?
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4.3. Cuadro sinóptico: Estructuras celularesEste material fue descargado para uso exclusivo de Paola Herrera Ramírez,
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4.4. Cuadro sinóptico: Membrana plasmática y tipos de transporte
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5. Metabolismo celularTodos los seres vivos son complejas máquinas biológicas con diversos componentes que en acción conjunta entregan las propiedades fundamentales de lo que conocemos como vida. En esta sección estudiaremos algunos conceptos que explican el funcionamiento de los organismos vivos.
5.1.1. Metabolismo celular
El metabolismo celular se rige por las leyes de la termodinámica:
Primera Ley: Establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Segunda Ley: Establece que en todo proceso que implica energía, parte de esta se libera en forma de calor (ningún proceso es totalmente eficiente). Esto podemos observarlo en acciones cotidianas como el calor generado por el motor de un automóvil o por una ampolleta. En términos más simples, todo sistema tiende por naturaleza al desorden.
En base a la última podemos obtener una conclusión muy importante. Sabemos de acuerdo a lo que hemos estudiado que los seres vivos constituyen sistemas muy ordenados, sin embargo, tienden al desorden. Es por esto que requieren de un flujo energético constante.
5.1.2. Reacciones químicas y moléculas elementales del metabolismo
Dentro de un ser vivo, especialmente en el citoplasma y el interior de las membranas celulares, ocurren una gran variedad de reacciones químicas. Principalmente, estos procesos son reacciones de oxidación o reducción. Comencemos por definir estos conceptos en el aspecto bioquímico:
Oxidación: Toda molécula que cede electrones se dice que se oxida, y por tanto requiere de uno que reciba dichos electrones.
Reducción: Toda molécula que capta electrones se dice que se reduce, y por tanto, requiere de uno que le done electrones.
Por lo tanto, toda molécula que se oxida actúa como agente reductor, y toda molécula que se reduce actúa como agente oxidante. Esto nos ayuda a entender las reacciones que ocurren en los organismos vivos. Algunas de las más importantes son:
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Hidrólisis/Condensación: Muchas de las biomoléculas como proteínas, glúcidos y ácidos nucleicos tienen enlaces que se forman por condensación (liberan una molécula, en este caso agua) y se rompen por hidrólisis (acción del agua). Así, por ejemplo, las enzimas hidrolíticas actúan promoviendo la reacción entre el agua y un enlace específico.
En la siguiente figura, cuando se produce la síntesis de proteínas, el grupo carboxilo del primer aminoácido (glicina) reacciona con el grupo amino del segundo aminoácido (alanina), liberan una molécula de agua y se unen por un enlace peptídico
Combustión: Procesos metabólicos como la respiración celular consisten en una reacción de combustión, donde en presencia de un comburente (oxígeno), el combustible biológico, la glucosa, reacciona formando dióxido de carbono y agua.
C6H12O6 + 6 O2 ↔ 6 CO2 + 6 H2O
Existen muchas más reacciones relacionadas al metabolismo y función celular, que se estudiaran en específico para cada tema.
5.1.3. ATP–Molécula de energía de la célula
El ATP es la principal molécula energética de la célula. En esta pequeña molécula la célula es capaz de almacenar la energía obtenida de nutrientes como la glucosa y los ácidos grasos. Para utilizar esta energía, las estructuras celulares rompen el enlace fosfato-fosfato (hidrólisis de ATP), liberando ADP y fosfato inorgánico (Pi). Durante nuestro estudio del metabolismo nos encontraremos regularmente con esta molécula.
Su composición química es la de un nucleótido simple: azúcar ribosa, base nitrogenada adenina, tres grupos fosfato.
Los enlaces fosfato-fosfato son de alta energía, por lo que al romper uno de ellos se libera gran cantidad de energía. Esta reacción se conoce como hidrólisis de ATP, donde se libera un grupo fosfato como fosfato inorgánico libre (Pi) y nos queda una molécula de ADP (adenosin difosfato).
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5.1.4. Metabolismo
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en un organismo, implican la formación de nuevas moléculas utilizando energía (anabolismo), y la ruptura de enlaces químicos para liberar energía (catabolismo).
Los organismos autótrofos utilizan la energía del sol para fabricar compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono y agua, así como los animales utilizan ATP en el proceso de síntesis de proteínas. Estas son reacciones anabólicas.
Por otro lado, todo organismo requiere de respiración celular. Durante ella, como veremos en detalle la próxima clase, la molécula de glucosa se separa en dos para liberar energía. Esta es una reacción catabólica. Los esteroides anabólicos, sustancias de las que abusan algunos fisicoculturistas y otros deportistas, estimulan el crecimiento de los músculos, aumentando la síntesis de proteínas, principal componente de las fibras musculares. He ahí por qué se denominan anabólicos.
5.1.5. Enzimas
Las enzimas son catalizadores biológicos. Para una mejor comprensión, un catalizador como las enzimas aceleran las reacciones químicas, disminuyendo la cantidad de energía que se debe utilizar para que esta ocurra. Toda reacción requiere de una energía mínima para que ocurra llamada energía de activación. Cuando una reacción es catalizada, la energía de activación baja, como lo muestra la siguiente figura:
Aquí se ilustra la acción de una enzima en una reacción química. En el eje vertical encontramos la cantidad de energía disponible para la reacción, y en el eje horizontal el progreso de la reacción de reactante a productos. En presencia de un catalizador como una enzima, la energía de activación disminuye, por lo que la altura del gráfico es menor.
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El efecto de un aumento de la velocidad es la generación de mayor cantidad de producto por unidad de tiempo. En una reacción catalizada por enzima típica encontramos el sustrato (moléculas que se unirán a la enzima, en un lugar específico llamado sitio activo), la enzima propiamente tal, el complejo enzima-sustrato y el producto. Las características de las enzimas son:
Específicas para cada sustrato
Por ejemplo: La pepsina del estómago degrada proteínas, la lipasa pancreática degrada grasas. Cada enzima posee un lugar en su estructura denominado sitio activo, lugar donde se une el sustrato específico.
Específicas para pH y temperatura
Enzimas del estómago trabajan a pH muy cercanos a 2 (medios fuertemente ácidos), en cambio enzimas del duodeno (intestino delgado) trabajan a pH mayor a 7 (más básicos). Del mismo modo, las enzimas del organismo, en general, actúan a 36,5°C como temperatura óptima, en cambio en otros organismos como las bacterias, encontramos distintas temperaturas de equilibrio para sus enzimas.
Se conservan tras la reacción
Todo catalizador en general tiene la cualidad de que si bien participa de la reacción en sí, se recupera al término de esta, permaneciendo inalterado. Así, una sola enzima puede participar de varias reacciones.
5.1.6. Factores que afectan a la actividad enzimática
Concentración de Enzima: A mayor concentración de la enzima, mayor velocidad de reacción.
Concentración de sustrato: A mayor concentración de sustrato, mayor es la velocidad de reacción, hasta un punto en que la capacidad de la enzima se satura. Por ejemplo: Quiero cargar cajas en un camión. Si llevo de a una caja seguramente tardaré bastante tiempo, por lo que si llevo de a dos o tres terminaré más rápido, pero puede que con más de cinco ya el peso sea mucho y no pueda cargar a mayor velocidad.
pH y temperatura: Recordemos que las enzimas poseen parámetros específicos de acción. En el caso de la temperatura, altas temperaturas pueden desnaturalizar su estructura (cambio estructural irreversible).
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Presencia de coenzimas o cofactores, moléculas que ayudan a que la enzima realice su tarea en la reacción.
Presencia de inhibidores, que son moléculas que se pueden unir a ella bloqueando de manera competitiva (que “pelean” la unión de la enzima con el sustrato) y no competitiva (que suprimen la reacción independiente de cuanto sustrato haya, también llamados inhibidores alostéricos).
Los problemas digestivos como la intolerancia a la lactosa se deben a ausencia de enzimas. En particular, la ausencia de enzima lactasa provoca problemas para digerir la lactosa, disacarárido presente en la leche formado por galactosa y glucosa. ¿Qué contendrán entonces los productos “sin lactosa”?
5.2. Ejercicios
En esta figura, el inhibidor 1 inhibe de manera alostérica o no competitiva a la enzima, en cambio el inhibidor 2 inhibe de manera competitiva (se une directamente al sitio activo).
Dé un ejemplo de reacción catabólica
Si se hidroliza la molécula de ATP, ¿De dónde proviene la energía liberada?
