Estructura y permeabilidad de la membrana celular

La membrana celular, también conocida como membrana plasmática, seencuentra en las células y separa el interior de la célula del entorno externo que la rodea. La membrana celular consta de una bicapa lipídica semipermeable (bicapa). Entre otras funciones, las membranas celulares regulan el transporte de sustancias dentro y fuera de la célula.

La membrana celular o plasmática proporciona protección a las células. También proporciona condiciones internas estables y tiene muchas otras características. Uno de ellos es el transporte de nutrientes al interior de las células y la expulsión de sustancias tóxicas de las células. Su segunda función está relacionada con la inserción de diversas proteínas en la propia membrana, que interaccionan con otras sustancias del exterior y de otras células. Cuando estas proteínas se forman a partir de azúcares unidos a proteínas, pueden ser glicoproteínas, o si se forman a partir de lípidos unidos a proteínas, pueden ser lipoproteínas. Todas estas proteínas se unen a (o se insertan) en la superficie de la membrana celular y permiten que la célula interactúe con otras células. Por otro lado, la membrana celular también sostiene la estructura celular dándole forma. Existen diferentes tipos de membranas celulares dependiendo del tipo de célula, normalmente las membranas celulares son ricas en colesterol (en células animales) como componente lipídico para darles estabilidad. Dependiendo del tipo de célula, puede haber otras estructuras. Hay varias plantas y microorganismos, como bacterias o algas, que tienen otros mecanismos de protección, como una pared celular externa que es mucho más fuerte que la membrana celular.

La membrana celular es anfipáticos, con las cabezas polares hidrófilas (amantes del agua) mirando hacia el interior y el exterior de la célula, dejando la parte hidrófoba (repelente al agua) en contacto, como un sándwich. Estos lípidos son principalmente colesterol, pero también fosfoglicéridos y esfingolípidos. También tiene un 20% de proteínas integrales y periféricas que realizan funciones de conjugación, transporte, detección y catalítica. Las proteínas integrales de membrana están incrustadas en una bicapa, con sus superficies hidrofílicas expuestas al ambiente acuoso y sus superficies hidrofóbicas en contacto con el interior hidrofóbico de la bicapa.

Se necesitan mil membranas plasmáticas apiladas, una encima de la otra, para igualar el espesor de una hoja de papel. Precisamente debido a su delgadez, cuando se logra ver una célula al microscopio óptico convencional, puede verse sin problema el interior de la misma; en el mejor de los casos podrá observarse el contorno de la membrana, pero nunca podrá distinguirse su ultra estructura. Recién las primeras microfotografías al microscopio electrónico demostraron que la ultra estructura las membranas era siempre la misma. Esta estructura se denominó unidad de membrana y la misma no sólo es válida para la membrana plasmática, sino para casi todas las membranas celulares

Constituyen barreras selectivamente permeables, dado que impiden el intercambio indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular.

La membrana plasmática, debido a sus propiedades fisicoquímicas, está capacitada para transportar de un lado a otro de la misma determinados solutos, macromoléculas y complejos macromoleculares. Sin embargo, hay moléculas, que a pesar de ser toxicas para la célula, pueden ingresar sin dificultad a la misma a través de la membrana. Un ejemplo es el CO (monóxido de carbono). · Controlan la interacción de la célula con el medio extracelular (con la matriz extracelular y otras células vecinas). Permite que las células se reconozcan entre sí, se adhieran entre sí cuando sea necesario e intercambien sustancias e información.

Imagen de una proteína de canal que forma un túnel que permite que una molécula específica atraviese la membrana (en dirección de su gradiente de concentración).

_Imagen modificada del "Diagrama de la difusión facilitada en la membrana celular", por Mariana Ruiz Villareal (dominio público)_

Transporte Pasivo

Las membranas celulares son selectivamente permeables, regulan qué sustancias pueden pasar y la cantidad de cada sustancia que puede entrar o salir en un momento dado. El transporte pasivo no requiere ningún gasto energético por parte de la célula, y consiste en la difusión de una sustancia a través de una membrana a favor de su gradiente de concentración.

Permeabilidad selectiva

Los fosfolípidos de las membranas plasmáticas son anfipáticos: tienen regiones hidrofilias e hidrofóbicas

Imagen modificada de OpenStax, Biología

Difusión

Nota: Estructura de un fosfolípido donde se muestran las colas de ácidos grasos hidrofóbicas y la cabeza hidrofílica. Junto se muestra una membrana bicapa compuesta defosfolípidos ordenados en dos capas, con las cabezas hacia afuera y las colas dirigidas hacia el centro.

En el proceso de difusión, una sustancia tiende a moverse de una zona de alta concentración a un área de baja concentración hasta que esta sea igual a lo largo de un espacio. Dado que hay muchísimas moléculas de amoniaco en la zona de alta concentración, es muy probable que una de ellas se mueva hacia la zona de baja concentración. Sin embargo, debido a que hay pocas moléculas de amoniaco en la zona de baja concentración, es muy poco probable que ocurra lo contrario. (“DifusiónYTransportePasivo(Artículo)”)

Difusión facilitada

Existe un gradiente de concentración para estas moléculas, por lo que tienen el potencial para difundirse hacia adentro de la célula al moverse por debajo de su gradiente. Las proteínas de transporte facilitado protegen estas moléculas del núcleo hidrofóbico de la membrana, y proporcionan una ruta por la que pueden cruzar. (Solomon, 2013)

Canales

Los canales de proteína atraviesan la membrana y forman túneles hidrofílicos a través de ella, lo que permite que sus moléculas blanco pasen por difusión. Los canales son muy selectivos y solo aceptan transportar un tipo de molécula.

Proteínas transportadoras

Otra clase de proteínas transmembranales implicadas en el transporte facilitado son las proteínas transportadoras, las cuales pueden cambiar su forma para llevar una molécula blanco de un lado a otro en la membrana. (Lodish, H., 2000)

Aquí, la célula no puede importar glucosa gratis mediante la difusión, porque la tendencia natural de la glucosa será difundirse hacia afuera en lugar de fluir hacia dentro. La célula debe traer más moléculas de glucosa mediante transporte activo.

Gradientes electroquímicos las células vivas normalmente tienen lo que se llama un potencial de membrana, una diferencia en el potencial eléctrico a través de su membrana celular.

Nota: Imagen que muestra la distribución de cargas y iones a través de la membrana de una célula típica.

Crédito de la imagen: imagen de OpenStax, Biología, originalmente de Synaptitude/Wikimedia Commons.

Siempre que hay una separación neta de cargas en el espacio existe una diferencia de potencial eléctrico. En el caso de una célula, las cargas positivas y negativas están separadas por la barrera de la membrana celular, con una mayor cantidad de cargas negativas al interior de la célula que al exterior de la misma. La célula debe mantener activamente este potencial de membrana y veremos cómo se forma en la sección de la bomba sodio-potasio.

Como ejemplo de cómo el potencial de membrana puede afectar el movimiento de los iones, echemos un vistazo a los iones sodio y potasio. Si los iones de sodio están afuera de una célula, tenderán a moverse hacia adentro de ella, de acuerdo tanto con su gradiente de concentración como el voltaje a través de la membrana. (“Campbell, N.A et. Al 2008)

Debido a que el K es positivo, el voltaje a través de la membrana provocará su movimiento hacia adentro de la célula, pero su gradiente de concentración tiende a llevarlo hacia afuera de la misma. (“Campbell,N.Aet.Al2008)

Transporte activo: moverse en contra de un gradiente

Para transportar una sustancia en contra de un gradiente electroquímico o de concentración, la célula debe utilizar energía. Los mecanismos de transporte activo justamente hacen eso: gastan energía para mantener las concentraciones correctas de iones y moléculas en las células vivas. Por ejemplo, la mayoría de la energía de un glóbulo rojo se usa para mantener los niveles internos de sodio y potasio que difieren de los de su entorno. (“TransporteActivo(Artículo)”)

Por otro lado, el transporte activo secundario utiliza un gradiente electroquímico, generado por el transporte activo, como fuente de energía para mover moléculas contra su gradiente y, por lo tanto, no necesita directamente una fuente de energía química, como el ATP.

El ciclo de la bomba de sodio-potasio

Nota: La figura muestra el ciclo de transporte de la bomba sodio-potasio. Crédito de la imagen: OpenStax Biología. Imagen modificada de una obra original de Mariana Ruiz Villarreal

En cada ciclo, tres iones de sodio salen de la célula y entran dos iones de potasio. En esta forma, realmente le gusta unirse a los iones sodio y tomará hasta tres de ellos. Cuando se unen los iones sodio, hacen que la bomba hidrolice ATP. En esta conformación, a la bomba ya no le gusta unirse a los iones sodio , por lo que los tres iones de sodio son liberados fuera de la célula.

En su forma orientada hacia el exterior, la bomba cambia lealtades y ahora le gusta unirse a iones de potasio Se unirá a dos iones de potasio, lo que desencadena la eliminación del grupo fosfato unido a la bomba en el paso 2. En su forma orientada hacia el interior, la bomba pierde interés en los iones potasio , por lo que libera los dos iones de potasio en el citoplasma. La proteína puede alternar entre ambas formas mediante la adición o eliminación de un grupo fosfato, que a su vez es controlado por la unión de los iones transportados.

Transporte activo secundario

Los gradientes electroquímicos creados mediante transporte activo primario almacenan energía, que puede liberarse a medida que los iones se mueven otra vez por sus gradientes. Por ejemplo, supongamos que tenemos una alta concentración de iones de sodio en el espacio extracelular. En el transporte activo secundario, el movimiento de los iones de sodio a favor de su gradiente se acopla al transporte de otras sustancias en contra de su respectivo gradiente mediante una proteína transportadora compartida. (“TransporteActivo(Artículo)”)

Nota: Diagrama de un cotransportador de sodio y glucosa, que utiliza la energía almacenada en un gradiente de iones de sodio para el transporte "cuesta arriba" de la glucosa, en contra de su gradiente. El cotransportador logra esto al acoplar físicamente el transporte de glucosa al movimiento de los iones de sodio en la dirección de su gradiente de concentración.

_Imagen modificada de "Transporte activo: Figura 4", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0) y "Esquema del transporte secundario", por Mariana Ruiz Villareal (dominio público)_

Exocitosis y endoxitosis

Endocitosis es un término general para los distintos tipos de transporte activo que introducen partículas en una célula encerrándolas en vesículas de membrana plasmática. Existen variaciones del endocitosis, pero todas siguen el mismo proceso básico.

Fagocitosis

La fagocitosis (literalmente “alimentación celular") es una forma de endocitosis en la que se introducen partículas grandes, como células o restos celulares, dentro de la célula. Ya hemos visto un ejemplo de fagocitosis en la introducción de este artículo, ya que este es el tipo de endocitosis utilizada por los macrófagos para engullir un patógeno.

Pinocitosis

La pinocitosis se presenta en muchos tipos de células y ocurre continuamente, ya que la célula toma muestras una y otra vez del líquido circundante para obtener todos los nutrientes y demás moléculas presentes. El material pinocitado se almacena en vesículas pequeñas, mucho más pequeñas que la gran vacuola alimenticia producida por la fagocitosis. (Kimball, J.W. 18 de julio de 2015)

Exocitosis

Las células deben ingerir ciertas moléculas, como los nutrientes, pero también deben liberar otras, como proteínas señalizadoras y productos de desecho, al exterior. Algunas de estas vesículas proceden del aparato de Golgi y contienen proteínas sintetizadas específicamente por la célula para su liberación en el exterior, como las moléculas de señalización. Estas vesículas son transportadas hasta el borde de la célula, donde se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido en el espacio extracelular.

Nota: Diagrama que ilustra el proceso de exocitosis. Imagen modificada de OpenStax, Biología (obra original de Mariana Ruiz Villareal)

Nota: Diagramas que representan la pinocitosis (a la izquierda) y la endocitosis mediada por receptor (a la derecha). Imágenes modificadas de OpenStax, Biología (obra original de Mariana Ruiz Villareal)

Uniones celulares

Plasmodesmos

Las células vegetales, al estar rodeadas de pared celular, no están en contacto unas con otras mediante amplias extensiones de membrana plasmática como las células animales. Sin embargo, poseen uniones especializadas llamadas plasmodesmos en la pared celular que permiten el intercambio citoplásmico directo entre dos células. Los plasmodesmos están recubiertos de membrana plasmática que es continua con las membranas de ambas células.

Uniones en hendidura

En los vertebrados, la uniones en hendidura se forman cuando un conjunto de seis proteínas de la membrana, llamadas conexinas, forman una estructura alargada parecida a una dona llamada conexón. Los invertebrados forman uniones en hendidura similares pero usan un conjunto de proteínas diferentes llamadas inexinas. (“UnionesIntercelulares(Artículo)”)

Nota: Imagen de las membranas plasmáticas de dos células conectadas por uniones en hendidura. Allí donde se encuentran dos conexiones de células diferentes, puede formarse un canal que va de una célula a otra. Crédito de la imagen: OpenStax Biología. Modificación de la obra de Mariana Ruiz Villarreal

Uniones estrechas

No todas las uniones entre las células forman conexiones citoplásmicas. Las uniones estrechas crean un sello a prueba de agua entre dos células animales adyacentes.

Nota: Imagen de las membranas de dos células conectadas por uniones estrechas. Las uniones estrechas son como remaches y se organizan en varios filamentos que forman líneas y triángulos. Crédito de la imagen: OpenStax Biología. Modificación de la obra de Mariana Ruiz Villarreal

Desmosomas

Un desmosoma está compuesto de un complejo de proteínas, algunas de las cuales se extienden a través de la membrana, mientras que otras anclan la unión dentro de la célula. Las cadherinas, proteínas de adhesión especializadas, se encuentran en las membranas de ambas células e interactúan en el espacio entre ellas, y las mantiene unidas. (“UnionesIntercelulares(Artículo)”)

Reacciones Redox

Durante la respiración celular suceden muchas reacciones en las que pasan electrones de una molécula a otra. Donde las reacciones que transfieren electrones tienen el nombre de reacciones oxido-reducción (redox). Sin embargo, en la biología, la oxidación y reducción no es en realidad “ganar” y “perder” electrones, ya que en sí hay algunos átomos que acaparan los electrones o le son acaparados en lugar de perderlos por completo. A continuación, se mostrará un truco que puede ayudar a comprender más este proceso; si una molécula que contiene carbono gana átomos de H o pierde átomos de I durante una reacción, probablemente se ha reducido (ganó electrones o densidad electrónica) asegura un artículo de Khan Academy (s.f).

Es importante saber que cuando son átomos del mismo elemento, por ende tienen la misma electronegatividad y eso hace que se mantengan unidos estables entre sí, por un enlace covalente. Pero la situación se torna distinta cuando es un enlace entre dos o más elementos, ya que cada elemento tiene distinta electronegatividad, esto sucede con el O H de la molécula de agua, donde el oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno, por lo cual el oxígeno acapara más electrones y pasan más tiempo cerca de él que del H y así se puede observar que no se ganan ni se pierden electrones, se comparten pero el oxígeno los acapara más teniendo una densidad electrónica mayor a la del hidrógeno y podemos decir que el oxígeno es el agente reductor y el hidrógeno el agente oxidante en esta reacción. El sentido de la oxidación y reducción es obtener energía de la molécula de glucosa, es por eso que una célula se toma la tarea de extraer electrones, transferirlos a acarreadores de electrones y para posteriormente pasarlos por una cadena de transporte en una larga serie de reacciones redox.

De modo que la energía se libera cuando los electrones se mueven a un estado energético más bajo se puede capturar y usarse para realizar trabajo. Khan Academy, s.f.) detalla que, en la respiración celular, los electrones de la glucosa se mueven gradualmente a través de una cadena de transporte hacia el oxígeno, pasan a estados de energía cada vez más bajos y liberan energía en cada paso. El objetivo de la respiración celular es captar esta energía en forma de ATP. Como dato muy importante sabemos que las reacciones redox van de la mano con la fosforilación, ya que gracias a la energía liberada de la transferencia de electrones que se obtiene en las reacciones redox se pueden unir ADP y fosfato inorgánico para producir ATP.

Nota: liberación de ATP por medio de reacciones redox. Tomada de: (Academy, s.f.)

Nota: Estructura del trifosfato de adesina (ATP) Tomada de: (Academy, s.f.)

Etapas de la respiración aeróbica

La respiración celular puede darse aeróbicamente, esto quiere decir que utiliza oxígeno. Durante esta respiración, la glucosa reacciona con el oxígeno formando ATP que puede ser utilizado por la célula y se crea dióxido de carbono y agua como subproductos. Donde la ecuación general de la respiración aeróbica es:

Nota: fórmula de la respiración celular aeróbica. Tomada de: (Academy, s.f.)

Esta se divide en cuatro etapas:

Glucólisis (en el citosol): aquí una molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de piruvato de tres carbonos cada una. De la energía liberada una parte se convierte en ATP Y NADH. De acuerdo con Solomon, et al., 2013 es una serie de reacciones en las que la glucosa se degrada a piruvato; con una ganancia neta de 2 moléculas de ATP, los átomos de hidrógeno se transfieren a los portadores.

Formación de Acetil CoA (en las mitocondrias): cada piruvato entra a la mitocondria y se oxida en acetato, para posteriormente combinarse con la enzima A, dándole origen al acetil coenzima A, mejor conocido como (Acetil CoA).

Ciclo del ácido cítrico (en las mitocondrias): serie de reacciones en las que la parte acetil del acetil CoA se degrada a CO2; los átomos de hidrógeno se transfieren a los portadores; se sintetiza ATP. (p.174)

Transporte de electrones y quimiosmosis (en las mitocondrias): se define como una cadena de varias moléculas de transporte de electrones; los electrones pasan a lo largo de la cadena; la energía liberada se utiliza para formar un gradiente de protones; el ATP se sintetiza a medida que los protones se difunden hacia abajo del gradiente; el oxígeno es el receptor final de electrones. (p.174., tabla 8-1)

En general, Solomon, 2013 define la glucólisis como la primera etapa de la respiración aeróbica, se produce en el citosol- el piruvato, producto de la glucólisis, entra en la mitocondria, donde la respiración celular continúa con la formación del acetil coenzima A (acetil CoA), el ciclo del ácido cítrico, y el transporte de electrones y la quimiosmosis. La mayor parte del ATP se sintetiza por quimiosmosis.

Nota: representación de las cuatro etapas de la respiración aeróbica. Tomada de: (Solomon, 2013)

Producción de energía a partir de otros nutrientes

Muchos organismos incluyendo los seres humanos, dependen de otros nutrientes diferentes de la glucosa como fuente de energía. De hecho, por lo general, obtienen más energía mediante oxidación de ácidos grasos que por oxidación de la glucosa. (Solomon, et al., 2013) La energía puede obtenerse de proteínas, carbohidratos y lípidos. Los productos del catabolismo de las proteínas, carbohidratos y grasas entran en la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico en varios puntos. (p.187).

Los aminoácidos de metabolizan por reacciones en las que se elimina al grupo amino (NH2), por un proceso llamado desaminación. En mamíferos y algunos otros animales, el grupo amino se convierte en urea y se excreta, pero la cadena de carbono se metaboliza y a la larga se utiliza como reactivo en uno de los pasos de la respiración aeróbica. Los lípidos son ricos en energía, ya que son muy reducidos, es decir, que tienen muchos átomos de hidrógeno y pocos átomos de oxígeno. Cuando está completamente oxidado en la respiración aeróbica, una molécula de un ácido graso de seis carbonos genera hasta 44 ATP. (p. 187)

El aminoácido alanina, por ejemplo, se somete a la desanimación para convertirse en piruvato, el aminoácido glutamato se convierte en aacetoglutarato, y el aminoácido aspartato produce oxalacetato. El piruvato entra en la respiración aeróbica como producto final de la glucólisis, y la a-cetoglutarato y el oxaloacetato entran en la respiración aeróbica como intermediarios en el ciclo del ácido cítrico. En última instancia, las cadenas de carbono de todos los aminoácidos se metabolizan de esta manera. (P.186)

Tanto el glicerol como los componentes de los ácidos grasos de un triacilglicérido se utiliza como combustible; el fosfato se añade al glicerol, convirtiéndolo en G3P u otro compuesto que entra en la glucólisis. Los ácidos grasos son oxidados y se dividen enzimáticamente en grupos acetilo de dos carbonos que se unen a la coenzima A; es decir, los ácidos grasos son convertidos a acetil CoA.(p. 187)

Nota: representación de los productos extraídos de las biomoléculas. Tomada de: (Solomon, 2013)

Respiración anaeróbica y fermentación

Es probable que ambos procesos se produzcan a través de vías alternativas de degradación de la glucosa que se producen cuando la respiración celular normal que utiliza oxígeno (aeróbica) ya no es viable, es decir, el oxígeno ya no puede servir como aceptor. cadena. Estas vías de fermentación finalmente integran la glucólisis con alguna acción adicional. En cambio, ciertos sistemas biológicos utilizan moléculas inorgánicas que no son O2, como el sulfato, como aceptores finales en la cadena de transporte de electrones.

La respiración celular anaeróbica es similar a la respiración celular aeróbica en que los electrones extraídos de las moléculas de combustible pasan a través de la cadena de transporte de electrones para facilitar la síntesis de ATP. Ciertos organismos usan sulfato (SO42-) como aceptor terminal de electrones en la cadena de transporte, mientras que otros usan nitrato (NO3 -), azufre o una de varias otras moléculas.

¿Qué organismos utilizan la respiración celular anaeróbica? De manera similar, las bacterias reductoras de sulfato y las arqueas usan sulfato como aceptor final de electrones y producen sulfuro de hidrógeno (H2S) como producto de desecho.

Nota: Respiración interna. El oxígeno se difunde fuera del capilar hacia las células, mientras que el dióxido de carbono se difunde fuera de las células y hacia el capilar. Tomada de (LibreTexts Español, 2022). LibreTexts Español

En la fermentación, la única forma de restar energía es a través de la glucólisis, con uno o dos pasos extra al final. Sin embargo, durante la fermentación, el piruvato formado durante la glucólisis no continúa su oxidación incluso hacia el período del ácido cítrico, y la cadena de transporte de electrones no funciona. Dado que la cadena de transporte de electrones no funciona, el NADH producido por la glucólisis no puede donar allí sus electrones para volver a NAD+. Por lo tanto, el objetivo de los pasos de fermentación adicionales es regenerar el transportador de electrones NAD+ a partir del NADH producido por la glucólisis.

Nota: La glucólisis descompone la glucosa en piruvato. Si hay oxígeno, el piruvato mueve hacia las mitocondrias para continuar la respiración aeróbica y producir una gran cantidad de ATP. Si el oxígeno no está presente, en ciertas células se producirá la fermentación para regenerar NAD + (Lisawerner9, 2021).

Wikimedia Commons

Luz y fotosíntesis

La luz visible representa una pequeña parte del amplio rango de radiación continúa llamado espectro electromagnético. En este espectro toda la radiación viaja como ondas. La longitud de onda es la distancia entre el pico de una onda y el de la próxima. La franja del espectro electromagnético con longitud de onda entre 380 y760 nm se llama espectro visible, ya que los humanos pueden verlo. El espectro visible incluye todos los colores del arco iris; el violeta tiene la longitud de onda más corta, y el rojo la más larga.

Nota: Espectro electromagnético (Horst Frank, Jailbird, 2007). Wikimedia Commons

La luz está compuesta de pequeñas partículas, o paquetes de energía, llamados fotones. La energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda: la luz con menor longitud de onda tiene más energía por fotón que la luz con mayor longitud de onda.

La radiación con longitudes de onda mayores que la luz visible no tiene suficiente energía para estimular a esas moléculas biológicas. La radiación con longitudes de onda menores que la luz visible es tan energética que rompería los enlaces de muchas moléculas biológicas. Así, la luz visible tiene justamente la correcta cantidad de energía para producir los tipos de cambios reversibles en las moléculas que son útiles en la fotosíntesis.

Cuando una molécula absorbe un fotón de energía luminosa, uno de sus electrones queda energizado, lo que significa que el electrón se transfiere de un orbital atómico de baja energía a otro orbital de alta energía más alejado del núcleo atómico.

Cuando un electrón regresa a su estado fundamental, su energía se disipa como calor o como emisión de luz con longitud de onda más grande que en la luz absorbida; esta emisión de luz se llama fluorescencia. Alternativamente, el electrón energizado puede abandonar el núcleo y ser capturado por una molécula aceptora de electrones, la cual queda reducida en el proceso; esto es lo que sucede en la fotosíntesis.

Nota: Esta figura muestra el espectro de la radiación solar para la luz directa tanto en la parte superior de la atmósfera de la tierra y al nivel del mar. (Nick84, 2016). Wikimedia Commons

Cloroplastos

La función del cloroplasto es realizar un proceso llamado fotosíntesis. Están principalmente dentro de la hoja en las células del mesófilo, una capa con múltiples espacios de aire y una muy alta concentración de vapor de agua. El interior de la hoja intercambia gases con el exterior mediante poros microscópicos, llamados estomas. Cada célula mesófila tiene de 20 a 100 cloroplastos.

La membrana del tilacoide forma un espacio interior lleno de fluido, la luz del tilacoide. En algunas regiones del cloroplasto, los sacos tilacoides están acomodados en pilas o montones de nombre grana o granos.

Las membranas tilacoides contienen varios tipos de pigmentos, que son sustancias que absorben luz visible. Distintos pigmentos absorben luz de diferentes longitudes de onda. La clorofila, el pigmento fundamental de la fotosíntesis, absorbe luz sobre todo en las regiones azul y rojo del espectro visible. La molécula de clorofila también contiene una larga cadena lateral hidrocarbonada que hace a la molécula extremadamente no polar que la fija a la membrana.

Los carotenoides absorben longitudes de onda de luz diferentes a las absorbidas por la clorofila, expandiendo así el espectro de luz que proporciona energía para la fotosíntesis. Un espectro de acción de la fotosíntesis es una gráfica de la eficiencia relativa de este proceso con distintas longitudes de onda de la luz. Para obtener un espectro de acción, los científicos miden la tasa de eficiencia fotosintética, en cada longitud de onda, para células vegetales o en tejidos expuestos a luz monocromática.

Nota: Diagrama de un cloroplasto (Kelvinsong, 2012) Wikimedia Commons https://es.khanacademy .org/science/apbiology/cellularenergetics/cellularrespirationap/a/fermentation-andanaerobic-respiration

Fermentación y respiración anaeróbica (artículo). (s. f.). Khan Academy.

Fotosíntesis: Reacciones dependientes de la luz

Nota : La energía de la luz es absorbida por las moléculas de clorofila y pasa a lo largo del camino a otras moléculas de clorofila. La energía culmina en las moléculas de clorofila en la actitud. La energía "excita" uno de sus electrones lo suficiente como para dejar la molécula y transferirse a un aceptor primario de electrones cercano. (Librotex , s.f )

El objetivo general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en energía química en forma de NADPH y ATP. Esta energía química será utilizada por el ciclo de Calvino para impulsar el ensamblaje de moléculas de azúcar. Las reacciones dependientes de la luz comienzan con una molécula de pigmento y un grupo de proteínas llamado fotosistema. Las membranas tilacoides tienen dos fotosistemas (fotosistema I y II). Ambos fotosistemas comparten la misma estructura básica: una serie de proteínas antena unidas a moléculas de clorofila rodean un centro de reacción donde tiene lugar la fotoquímica. Cada fotosistema está alimentado por un complejo captador de luz que transfiere energía de la luz solar al centro de reacción.

Se compone de varias antenas proteicas que contienen una mezcla de 300-400 moléculas de clorofila ayb, así como otros pigmentos como los carotenoides. Los fotones de energía luminosa viajan a las moléculas de pigmento de clorofila.Los fotones "excitan" a los electrones en la clorofila. La energía dada al electrón le permite separarse de un átomo en la molécula de clorofila.

Por lo tanto, se dice que la clorofila "dona" un electrón. La absorción de cualquier fotón único o número variable o "paquete de luz" por la clorofila empuja a esta molécula a un estado excitado. La energía de la luz ahora ha sido capturada por biomoléculas, pero aún no se almacena en una forma utilizable

La energía se transfiere de clorofila a clorofila hasta que finalmente (después de aproximadamente una millonésima de segundo) se entrega al centro de reacción. Hasta ahora, solo se ha transferido energía entre moléculas, no electrones. Para reemplazar los electrones en la clorofila, las moléculas de agua se dividen. Esta escisión libera dos electrones, lo que resulta en la formación de oxígeno (O 2 ) y 2 iones de hidrógeno (H ) en el espacio tilacoidal. El intercambio de electrones permite que la clorofila responda a otro fotón. Las moléculas de oxígeno producidas como subproducto salen de la hoja a través de las estomas y entran al medio ambiente. Los iones de hidrógeno juegan un papel central en todas las demás reacciones relacionadas con la luz.

Las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas de los tilacoides y requieren un suministro constante de energía luminosa. La clorofila absorbe esta energía luminosa y la convierte en energía química, formando dos compuestos:

Trifosfato de adenosina

Nota : La cadena de transporte de electrones del cloroplasto utiliza la energía de la luz para conducir protones a través de la membrana del tilacoide y hacia la luz del tilacoide. Tomada de : (librotex, s.f)

El propósito de la reacción dependiente de la luz es convertir la energía solar en transportadores químicos (NADPH y ATP) que se utilizarán en el ciclo de Calvin. Los eucariotas y algunos procariotas tienen dos fotosistemas. (Khan Academy, s.f)

El primero se llama Photosystem II (PSII), llamado así por la secuencia de descubrimiento en lugar de la función. Después de que los fotones ingresan a los centros de reacción del fotosistema II (PSII), la energía de la luz solar se usa para extraer electrones del agua. Los electrones del cloroplasto pasan al fotosistema I (PSI) a través de la cadena de transporte de electrones, reduciendo el NADP a NADPH. desde el gradiente de concentración desde el estroma hasta el espacio tilacoidal. La cadena de transporte de electrones mueve protones a través de la membrana tilacoide hacia la luz (disco tilacoide). Al mismo tiempo, la división del agua agrega protones adicionales a la luz, mientras que la reducción de NADPH elimina los protones del estroma (el espacio fuera del tilacoide). El resultado final es una alta concentración de protones (H) en la luz de los tilacoides y una baja concentración de protones en el estroma. La ATP sintasa utiliza este gradiente electroquímico para generar ATP, como en la respiración celular. Tenga en cuenta que una alta concentración de protones = pH ácido, por lo que la luz de los tilacoides tiene un pH más ácido (más bajo) que el estroma. (Fisicanet s.f)

Fotosíntesis: Reacciones de fijación de carbono fijación de carbono.

La molécula de dióxido de carbono se une a la molécula receptora ribulosa 1,5-bisfosfato con cinco átomos de carbono (RuBP). Este paso produce un compuesto de seis carbonos que se descompone para formar dos moléculas de tres carbonos, 3fosfoglicerato (3-PGA). Esta reacción es catalizada por la enzima RuBP carboxilasa/oxigenasa o RUBisCO.

La fijación de carbono fotosintético es un proceso biológico fundamental que utiliza la energía de la luz para convertir el carbono inorgánico en los compuestos orgánicos necesarios para sustentar la mayor parte de la vida en la Tierra. Por lo tanto, la capacidad de proporcionar una cantidad casi ilimitada de luz para proporcionar energía anabólica a las células vivas artificiales a través de un proceso similar a la fotosíntesis es un objetivo muy buscado en el desarrollo de los organismos.

El NADPH y el ATP producidos en la reacción de recolección de energía se utilizan para reducir el fosfato de gliceraldehído compuesto de 3 carbonos en una reacción de fijación de carbono que ocurre en la matriz. Esta vía de fijación de carbono de fosfogliceraldehído se denomina vía de los tres carbonos o C3. En este caso, la fijación de carbono ocurre a través del ciclo de Calvin, donde la ribulosa bifosfato (RuBP) carboxilasa combina moléculas de dióxido de carbono con el material de partida, un azúcar de cinco carbonos llamado ribulosa difosfato.

Una molécula de dióxido de carbono entra en cada ciclo completo. El número de revoluciones necesarias para formar dos moléculas de fosfato de gliceraldehído correspondientes a un azúcar de seis carbonos es seis. Seis moléculas de RuBP (un compuesto de cinco carbonos) se combinan con seis moléculas de dióxido de carbono para producir seis moléculas de un intermediario inestable, que rápidamente se descompone en doce moléculas de fosfoglicerato (un compuesto de tres carbonos). Este último se reduce a fosfato de gliceraldehído dodecamolecular. Diez de estas moléculas de tres carbonos se combinan y recombinan para formar seis moléculas RuBP de cinco carbonos. Las dos moléculas de fosfogliceraldehído "extra" representan una amplificación neta del ciclo de Calvin. Estas moléculas son el punto de partida de muchas reacciones, que pueden incluir, por ejemplo, la síntesis de carbohidratos, aminoácidos y ácidos grasos. (Khan Academy, s.f)

Nota: ciclo de calvin que detalla las 6 estancias de esta misma y se puede observar la fijación del carbono en ella. Tomada de (fisicanet , s.f)

Glosario

Acetil coenzima A (acetil CoA): Solomon (2013) compuesto intermediario clave en el metabolismo; consta de un grupo acetilo de dos carbonos unidos covalentemente a la coenzima A.

Ameba: Unos organismos eucariotas simples, que se mueven de una forma característica de rastreo. (Bernal, 2022).

Anfipatica: es una molécula que tiene partes polares y no polares.(El Gen Curioso 2023)

Bicapida: estructura básica de la membrana y constituye una barrera relativament impermeable al agua. (compus USA)

Centro de reacción: "Complejo de proteínas y pigmentos fotosintéticos que capturan la luz y convierten la energía lumínica en energía química durante la fotosíntesis." (González, 2016).

Cisternas: sacos membranosos aplanados y apilados que constituyen el complejo de Golgi. (Solomon, 2013, p. G-9)

Clorofila: "Pigmento fotosintético que absorbe la luz roja y azul y refleja la luz verde, y que es esencial para la fotosíntesis." (Real Academia Española, 2021).

Desaminación: eliminación de un grupo amino (-NH2) de un aminoácido u otro compuesto orgánico. (Solomon, 2013, p.G-12)

Dímeros: asociación de dos monómeros (p. ej. Un disacárido o un dipéptido). (Solomon, 2013, p.G-13)

Dineína: proteína contráctil de gran tamaño formada por los brazos laterales de los dobletes de microtúbulos en los cilios y flagelos. (Campbell, 2007, p. 1322)

Disipa: Esparcir y desvanecer las partes que forman por aglomeración un cuerpo (Real Academia Española, s.f., definición 1).

Epiteliales: Las células epiteliales son los escudos de protección de tu cuerpo. Está cubierta con células epiteliales que protegen tu cuerpo porque son una barrera entre tus células internas y la suciedad y microbios en el ambiente (Células Epiteliales, s. f.).

Esfingolípidos: son constituyentes de las membranas de las células animales y vegetales y abundan en el tejido nervioso.(asturnaturaDB, 2004)

Fagocitos: Se denomina al tipo de célula que puede capturar y digerir partículas o microrganismos que resultan dañinos o que no tiene utilidad para el organismo. (definición. De 2008)

Fluorescencia: Es la que absorbe la energía de la luz ultravioleta e, inmediatamente, emite la radiación luminosa (Romero, S. y Ruiz, J., s.f.)

Fosfatados: Forma del ácido fosfórico que contiene fósforo. En el cuerpo, los fosfatos se encuentran en los huesos y los dientes. Los fosfatos se pueden usar para tratar una concentración alta de calcio en la sangre (Diccionario de cáncer del NCI, s. f.).

Fosfoglicerato: "Molécula de tres carbonos que se produce durante la fijación del dióxido de carbono durante la fotosíntesis." (González, 2016).

Fotólisis: "Proceso mediante el cual la luz solar rompe moléculas de agua en los cloroplastos de las células de los seres vivos que realizan la fotosíntesis." (Real Academia Española, 2021).

Fotones: Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio (DalmauSantamaria, 2013).

Fotorrespiración: "Proceso metabólico en el que las plantas y algunas bacterias utilizan oxígeno para oxidar ribulosa-1,5-bifosfato, lo que resulta en la liberación de dióxido de carbono y la pérdida de energía." (Mora, 2017).

Fotosistema: "Estructura de proteínas y pigmentos fotosintéticos que se encuentra en las membranas de los cloroplastos y que convierte la energía lumínica en energía química durante la fotosíntesis." (Mora, 2017).

Fototaxis: "Movimiento direccional de un organismo en respuesta a un gradiente de luz." (Mora, 2017).

Gradiente de concentración: diferencia en la concentración de una sustancia de un punto a otro como, por ejemplo, a través de una membrana celular. (Solomon, 2013, p. G-22)

Gliceraldehido: es el único monosacárido de tres carbonos, siendo a su vez la única triosa. Se trata también de una aldotriosa porque posee un grupo aldehido. (lifeder 2019)

Glucolípidos: están compuestos por una ceramida (esfingosina + ácido graso) y un glúcido de cadena corta; carecen de grupo fosfato. (Mora, 2017)

Hidrocarbonada: Cadena de átomos de carbono unidos entre sí a través de enlaces simples, dobles o triples; cada uno de los cuales a su vez unidos a átomos de hidrógeno u otros radicales que pueden o no ser otras cadenas hidrocarbonadas (Definición de la palabra cadena hidrocarbonada, s. f.).

Inmunorreactivo: El tripsinógeno es una sustancia que normalmente se produce en el páncreas y se secreta en el intestino delgado. (Medlineplus 2021)

Leucocito: Tipo de glóbulo sanguíneo (célula de la sangre) que se produce en la médula ósea y se encuentra en la sangre y el tejido linfático. Los leucocitos son parte del sistema inmunitario del cuerpo y ayudan a combatir infecciones y otras enfermedades (Diccionario de cáncer del NCI, s. f.).

Matriz: "Espacio interno de las mitocondrias donde se lleva a cabo la respiración celular." (González, 2016).

Membrana permeable: membrana que permite el paso de algunas sustancias con mayor facilidad que otras. (Solomon, 2013, p.G-28)

Mesófilo: Conjunto de tejidos que se hallan entre ambas epidermis de la hoja y entre los nervios de la misma (Dicciomed: Diccionario médico-biológico, histórico y etimológico, s. f.)

Monómeros: molécula que puede unirse con otras moléculas similares; dos monómeros se unen para formar un dímero. (Solomon, 2013, p.G-30)

Piruvato: compuesto de tres carbonos; producto final del glucólisis. (Solomon, 2013, p.G-34)

Polipéptidos: Las moléculas que forman las proteínas reciben el nombre de polipéptidos. Se trata de péptidos compuestos por, al menos, diez aminoácidos (Definición de polipéptido - Definicion.de, s. f.).

Polipéptidos: Las moléculas que forman las proteínas reciben el nombre de polipéptidos. Se trata de péptidos compuestos por, al menos, diez aminoácidos (Definición de polipéptido - Definicion.de, s. f.).

Ribulosa: "Azúcar de cinco carbonos que se utiliza en el ciclo de Calvin para fijar el dióxido de carbono durante la fotosíntesis." (González, 2016).

Rubisco: "Enzima clave en el proceso de fijación del dióxido de carbono durante la fotosíntesis en las plantas y algunas bacterias." (Mora, 2017).

Transmembranales: es aquella proteína integral de membrana que atraviesa la bicapa lipídica de la membrana celular, una vez (unipaso) o varias (multipaso).

Umbela: Inflorescencia en la que los pedicelos de todas las flores se insertan en un mismo punto de su eje, de modo semejante a las varillas de un paraguas. (EcuRed. 2017)

Vesícula: saco delimitado por membranas dentro de la célula. (Campbell, 2007)

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