Membranas biológicas

Estructura de las membranas

Contienen una estructura hecha de moléculas de lípidos y proteínas que se encuentran en constante movimiento, estas son formadas por una bicapa lipídica como se puede observar en la figura 2-1; en donde la parte polar del lípido anfipático se dispone hacia el exterior y la parte polar hacia el interior de la membrana (Lucentini

2019), además tienen propiedades que les van a permitir la realización de funciones vitales, tales como: regulación del paso de materiales, división de la célula en compartimentos, reacciones químicas en donde se van a adherir y comunicar con otras células y transmitir señales entre el medio ambiente y el interior de la célula. Donde realizan reacciones químicas las cuales van a ser necesarias para lograr sostener la vida, manteniendo un medio ambiente interno adecuado para la célula (Salomon et al., 2013).

Los fosfolípidos son los principales responsables de las propiedades físicas de las membranas biológicas, aunque no todos tienden a ser iguales, ya que podemos encontrar algunos que tienen atributos únicos, como el poder formar estructuras en bicapas otros que contengan distintas regiones hidrofílicas e hidrófobas denominados como moléculas anfipáticas, u otros que forman las membranas.

Como se puede observar la figura 2 -2 resulta ser una formación de una estructura de bicapa ya que permite que las cabezas hidrofílicas de los fosfolípidos estén en contacto con el medio acuoso mientras que sus colas aceitosas se encuentran inmersas hacia el interior de la estructura Donde tienden a presentar un ancho de la molécula uniforme y una forma cilíndrica, las que junto con sus propiedades anfipáticas van a ser responsables de la formación de dos capas.

Modelo del mosaico fluido

El primer modelo no fue el del mosaico fluido sino que el del Sándwich el cual fue uno de los hallazgos de Hugh Davson y James Daneielli el cual consistía en una bicapa de lípidos entre dos capas de proteínas como se observa en la figura 2 - 3, sin embargo en 1960 se dieron cuenta que no se daba lo mismo en todas las células y que su estructura variaba dependiendo el tamaño y la composición ya que no podían acomodarse dentro de una capa superficial de una membrana más de 10nm de espesor.

Fuente: Wikipedia Commos (2016)

Es por eso que 1972 Singer y Nicolson propusieron un nuevo modelo de la estructura de las membranas conocido como modelo de mosaico fluido que consiste en una bicapa fluida de moléculas de fosfolípidos en la que las proteínas están incrustadas o asociadas de alguna forma, (ver figura 2

- 4) de tal modo dando a entender de que cada mosaico es diferente ya que no es estático porque las proteínas van cambiando constantemente de lugar.

Proteínas de membranas integrales y periféricas

Como se puede observar en la figura 2 - 5 las proteínas tanto integrales como periféricas se definen por la fuerza con la que se asocian con la bicapa de lípidos.

Fuente: Ruiz M. (2007)

Las proteínas integrales están unidas con firmeza a la membrana, dichas son proteínas anfipáticas, donde sus regiones hidrofílicas se extiendes fuera de la célula o en el citoplasma, mientras que sus regiones hidrófobas interactúan con las colas de ácido graso de los fosfolípidos, donde puede que logre atravesar la membrana por completo o no. En cambio las proteínas periféricas no se incrustan en la bicapa de los lípidos, y se encuentran en la superficie interior o exterior de la membrana plasmática, normalmente se unen a regiones expuestas de proteínas integrales mediante las interacciones no covalentes además de que se pueden quitar fácilmente de la membrana sin alterar la estructura de la bicapa. (Salomon et al., 2013)

Fuente: Opensax (2017)

Funciones de la membranas

Como observamos en la figura 2 - 6 encontramos una membrana plasmática, que contienen diversas funciones, las cuales le permiten sobrevivir y funcionar de una manera adecuada, incluyendo el anclaje, transporte, actividades enzimáticas, señalización y unión celular en donde cada una de estas se encuentra mediada por estructuras específicas de la célula.

Fuente: Lifeder (2022)

La membrana plasmática es la encargada de proteger la célula o sea de permitir o bloquear la entrada de sustancias en la célula, proporcionando un entorno estable dentro de la célula. Entre sus funciones podemos encontrar:

Anclaje

Las células necesitan unirse ya sea a otras células o a la matriz extracelular para poder formar tejidos y órganos, dicho anclaje les va permitir la adhesión y la cohesión celular, lo cual es importante para que puedan mantener su estructura tisular. (Ver figura 2 – 7 a) (Alberts et al., 2002)

Transporte

El transporte celular en donde las células necesitan transportar sus moléculas e iones por medio de la membrana celular para poder mantener su metabolismo, realizado a través de diferentes mecanismos, como lo es una difusión simple o difusión facilitada y la de endocitosis o exocitosis. (Ver figura 2 - 7- b y c) (Lodish et al., 2000)

Actividad enzimática

Algunas células producen enzimas que se localizan en la membrana celular, lo que les permite llevar a cabo reacciones bioquímicas específicas como lo son las proteínas enzimáticas como las proteínas quinasas y proteasas que son importantes para lograr las reacciones bioquímicas de la célula. (Ver figura 2- 7-d) (Alberts et al., 2002)

Señalización

Las células se pueden comunicar entre sí mediante las señalizaciones, en donde implica la liberación de moléculas de señalización que interactúan con receptores específicos, a través de la membrana celular. (Ver figura 2- 7-e) (Lodish et al., 2000)

Unión celular

Aquí las células pueden unirse entre sí mediante las proteínas de unión, como las proteínas de adhesión y los desmosomas, para lograr mantener la integridad tisular y para la transmisión de señales entre las células adyacentes o incluso una unión entre estas. (Ver figura 2- 7-g) (Alberts et al., 2002)

Fuente: Salomon, E. Berg L. y Martin D. (2013)

Estructura y permeabilidad de la membrana celular

La permeabilidad de la membrana permite la posibilidad de gradientes de concentración a través de las membranas, que a su vez tienen energía potencial la cual se encuentra asociada con la concentración diferencial a través de la membrana.

Una membrana es permeable a una sustancia dada si permite que la sustancia pase a través de ella y es impermeable cuando no lo haga, si recordamos el mosaico fluido de las membranas biológicas podremos darnos cuenta que les permite funcionar como membranas permeable selectiva o semipermeable. (Ver figura 2 - 8)

Fuente: Marini J. (2008)

Permeabilidad a moléculas polares

Las membranas van a ser más permeables mientras más pequeñas sean las moléculas polares conocidas como hidrófobas, dichas moléculas pueden pasar a través de la bicapa de los lípidos, en donde la bicapa de los lípidos de la membrana plasmática es respectivamente impermeable a los iones cargados, los iones y las moléculas polares más grandes logran pasar a través de la bicapa pero lentamente

En la figura 2- 9 podemos encontrar lo que es la permeabilidad en agua y que a pesar que es una molécula polar, su tamaño es lo suficientemente pequeño para poder pasar a través de los espacios.

Proteínas de transporte

Las proteínas de transporte son un sistema que se mueve a través de las membranas de iones, aminoácidos, azúcares y otras moléculas polares que son necesarias, que se han encontrado en todas las membranas biológicas donde los principales son proteínas de transporte son: las transportadoras y las de canal donde cada una va trasladar un tipo específico de iones o moléculas o un grupo de sustancia relacionada. (Salomon et al., 2013)

Fuente: Wong A. (2022)

Las proteínas de transporte o transportadoras se unen al ion o molécula experimentado cambios en su forma que va provocar el movimiento de la molécula por medio de la membrana, dándose el transporte mediado por el transportador que es la transferencia de solutos mediante las proteínas transportadoras que se ubican dentro de la membrana.

Las proteínas de canal van a formar túneles los cuales son llamados poros, a través

Fuente: Wikipedia Commons (2020) de la membrana, donde muchos de estos canales se encuentran bloqueados o sea que se pueden abrir y cerrar, que por medio de las células se va ir regulando el paso de los materiales a través de dichos canales por la apertura y cierre de las puertas. (Ver figura 210). Además de que existen purinas, las cuales van a ser transmembrana del canal que permitirán que diversos solutos o agua que pasen a través de las membranas, pertenezcan igual a las proteínas de canal solo que en forma de cilindros huecos con una estructura de barril esto se debe a su enrollamiento hacia arriba de las láminas los cuales forman poros.

Transporte pasivo

El transporte pasivo no requiere que la célula gaste mucha energía metabólica, ya que muchos iones y moléculas pequeñas se logran mover a través de las membranas por difusiones, donde puede existir la difusión simple como la facilitada. Véase figura 2-11.

Difusión

Fuente: Ejemplos C.C.(2018)

Algunas sustancias logran ingresar o salir de la célula incluso moverse dentro de dicha célula, ver figura 2-12, por medio de la difusión, el cual es un proceso físico de movimiento aleatorio, donde todos los átomos y moléculas tienen energía cinética en movimiento. (Salomon et al., 2013)

Ósmosis

Es un tipo esencial de difusión que implica el movimiento neto del agua por medio de la una membrana semipermeable de una región de mayor concentración a una región de menor concentración, (véase figura 2-13).

Fuente: Wikipedia commos (2013)

Difusión facilitada

Proceso donde las sustancias se mueven por medio de las difusiones a través de las membranas, la transferencia neta de las moléculas de un lado a otro va producir como resultado de un gradiente de concentración. (Salomon et al., 2013)

Transporte activo

Fuente: Wikipedia commos (2021)

La células llegan a transportan frecuentemente solutos en contra de un gradiente de concentración, por esto mismo la células deben de tener muchas sustancias de concentración mayores a la concentración que se encuentra fuera de la célula, por esto mismo la difusión y el transporte activo necesitan energía (esta energía es proporcionada por un gradiente de concentración que es para la sustancia trasladada) por lo cual necesita que la célula invierta la energía metabólica directamente durante el proceso, la energía almacenada puede no estar en el sistema por lo tanto se llega a requerir otras formas de energía. El transporte activo llega a bombear los materiales de una región baja concentración a una de mayor concentración, así mismo puede ser acoplado al ATP tanto directamente como indirectamente, en el transporte activo indirecto el gradiente de concentración da la energía para el contransporte de alguna sustancia.

Fuente:

La bomba de sodio-potasio, que se encuentra en células animales, es un mecanismo del transporte activo la cual es un transportador de ABC y utiliza energía del ATP para bombear los iones de sodio fuera de la célula e iones de potasio dentro de la célula, por lo cual el intercambio es desigual, así mismo la bomba de sodio-potasio son proteínas que se distribuyen alrededor de la membrana y experimentan series de cambios en donde las bombas de potasio se intercambian con las bombas de sodio a través de la membrana. Los iones de sodio y potasio tienen carga positiva pero hay menos iones de potasio en el interior comparado a los iones de sodio en el exterior además que el interior de la célula está cargada negativamente por lo tanto esta distribución desigual de iones de lugar a un gradiente eléctrico que llega a impulsar los iones a través de la membrana plasmática, este mismo procedimiento se domina como potencial de la membrana debido a que hay una diferencia de carga eléctrica y una diferencia de concentración entre ambos lados de la membrana esto mismo se llama gradiente electroquímico, los cuales almacenan energía que es impulsada para los otros sistemas de transporte. Las bacterias, hongos y plantas utilizan proteínas transportadoras, llamadas bombas de protones, las cuales transportan activamente los iones de hidrogeno fuera de la célula, la eliminación de protones del citoplasma da como consecuencia una gran diferencia en la concentración de protones en el exterior e interior de la célula, también hay bombas de protones las cuales van a la inversa para sintetizar ATP, captando energía a través de alimentos o la luz del Sol para tener gradientes de concentración de protones, esto sucede en las bacterias, mitocondrias y cloroplastos.

También hay algunas proteínas de transporte las cuales transportan un tipo de sustancia a una sola dirección llamadas uniportadores, también hay algunas que mueven dos tipos de sustancias una misma dirección (simportadoras) al igual que otras que acarrean dos sustancias en direcciones opuestas (antiportadoras).

Exocitosis y endocitosis:

La endocitosis y la exocitosis tiene como función transportar materiales grandes como lo puede ser moléculas de gran tamaño, partículas de alimentos y células pequeñas que se llegan a mover tanto dentro como fuera de otras células. La exocitosis se da cuando una célula expulsa desechos o productos de secreción humana, así mismo la vesícula se une a la membrana plasmática liberando esos desechos de la célula, luego la membrana de la vesícula se integra a la membrana plasmática.

La endocitosis tiene como función principal la incorporación de los materiales a la célula y contiene varios tipos de mecanismos los cuales operan los sistemas biológicos, ahora a la endocitosis tiene tres tipos los cuales son: fagocitos, pinocitosis y endocitosis medida por receptores. En la fagocitosis la célula atrapa partículas grandes de alimentos o bacterias, luego la membrana plasmática encierra estas partículas o bacterias rodeándolas, fusionándose en el punto de contacto formando una vacuola, esta vacuola se fusiona con los lisosomas llegando degradar el material ingerido. En la pinocitosis la célula llega a tomar materiales disueltos los cuales, en las cuales pequeñas gotas de fluido son encerradas por la membrana plasmática donde quedan atrapadas en el citosol formando pequeñas vesículas, así mismo el fluido del contenido se transfiere de forma lenta en el citosol así mismo las vesículas progresivamente se vuelven más pequeñas. En la endocitosis medida por receptores, moléculas especificas llegan a ser combinada con las proteínas de los receptores que se encuentran en la membrana plasmática, así mismo este mecanismo es el principal de las células ya que suelen tomar moléculas muy grandes

Uniones celulares: Algunas células están estrechas entre otras por lo tanto llegan a formar uniones intracelulares especializadas, estas llegan a tener conexiones fuertes entre células vecinas al igual que comunicación entre ellas, así mismo pueden impedir el paso de materiales, un ejemplo de estas son las células epiteliales las cuales las cuales se encuentran estrechamente unidas por uniones de anclaje, las cuales son muy fuertes para separarlas, a pesar de eso estas uniones no llegan a impedir el paso de materiales de las células adyacentes. En estas uniones de anclaje se encuentran dos tipos: Los desmosomas y las uniones adherentes.

Los desmosomas son puntos de unión entre la célula los cuales forman láminas fuertes permitiendo que las sustancias pasen libremente entre los espacios de la membrana plasmática, los desmosomas se componen de regiones de material denso las cuales están asociados con los lados citosólicos de las dos membranas plasmáticas, los desmosomas están anclados a los filamentos intermedios de la célula, por lo cual las tensiones mecánicas se distribuyen por todo el tejido.

En las uniones adherentes mantienen las células juntas, por esto mismo las cadherinas hacen una banda continua adhesiva alrededor de la célula, uniendo cada célula las cuales conectan a los microfilamentos del citoesqueleto. Así mismo están las uniones estrechas las cuales une o conecta estrechamente las membranas plasmáticas dejando poco espacio por lo cual las sustancias no pueden filtrarse, pero estas no se unen completamente si no intermitentemente, aun así, estas uniones sellas las cavidades del cuerpo. Como consiguiente también está la unión de hendidura esta une los espacios entre las células, uniendo también las membranas plasmáticas, con los desmosomas estrechamente, estas uniones en hendidura tienen una proteína integral de la membrana llamada conexina. Estas conexinas forman grupos de seis moléculas entre ella formando un cilindro que se encuentra alrededor de la membrana plasmática, estos cilindros forman un canal en las cuales pequeñas moléculas inorgánicas y algunas moléculas reguladoras pasan a través de esta excluyendo las moléculas grandes.

En las células vegetales tienen paredes celulares por lo cual para ellos no son tan necesarios los desmosomas porque ellos tienen conexiones que tienen la misma función de las hendiduras. Por lo cual están los plasmodesmos que se encuentran a través de las células vegetales conectando el citoplasma de otras células, estos la mayoría de las veces tienen una estructura estrecha cilíndrica denominado desmotúbulo estos recorren el canal se conecta al retículo endoplasmático liso de dos células adyacentes.

Rutas de liberación de energía el ATP

Reacciones Redox

Una reacción de oxidación-reducción (también conocida como Redox). Este tipo de reacción tiene muchas aplicaciones importantes en la vida cotidiana, un ejemplo es cuando se observa un clavo oxidado o la corrosión en una pieza de hierro.

Cuando enciende las luces de su automóvil una reacción de oxidación reducción dentro de la batería del automóvil proporciona electricidad, en un día frío de invierno puede encender una fogata a medida que se quema la madera, el oxígeno se combina con carbono e hidrógeno para producir dióxido de carbono, agua y calor (Timberlake, 2016)

Las reacciones de redox los electrones se transfieren de una sustancia a otra. Si una sustancia pierde electrones, otra sustancia debe ganar electrones.

Es posible identificar la oxidación y reducción si se observan sus cargas en los reactivos y los productos.

La oxidación se refiere a la pérdida de electrones y se puede identificar porque el número de oxidación de la especie química aumenta. Por otro lado, la reducción se refiere a la ganancia de electrones y se puede identificar porque el número de oxidación de la especie química disminuye (Timberlake, 2016)

Las células transfieren energía mediante la transferencia de un grupo fosfato del ATP. La energía también se transporta por transferencia de electrones. Ya que en las células vivas, los electrones liberados durante la reacción de oxidación no pueden existir en estado libre, entonces cada reacción de oxidación debe ser acompañada por una reacción de reducción en la cual los electrones son aceptados por otro átomo, ion, o molécula. Con frecuencia, las reacciones de oxidación y de reducción se conocen como reacciones redox porque ocurren simultáneamente. La sustancia que se oxida da energía liberando electrones, y la sustancia reducida recibe energía al ganar electrones.

Las reacciones redox ocurren en una serie, conforme los electrones son transferidos de una molécula a otra. Esos electrones que se transfieren, son equivalentes a transferir energía, siendo una parte esencial de la respiración celular, de la fotosíntesis, y de muchos otros procesos químicos (Solomon,Berg, Martin, 2013)

Fuente: Editorial Etecé (2021)

Etapas de la respiración aeróbica.

La respiración aeróbica es el proceso en el cual las células utilizan el oxígeno para obtener energía a partir de los nutrientes que se consumen. Este proceso se lleva a cabo en tres etapas principales: Glucolisis.

La glucosa es el torrente sanguíneo entre las células donde experimenta mayor degradación en una vía llamada Glucólisis (Timberlake, 2016)

La glucólisis es la primera etapa de la respiración aeróbica, en la cual se descompone la glucosa (un azúcar de seis carbonos) en dos moléculas de ácido pirúvico. Durante este proceso, se liberan pequeñas cantidades de energía que se almacenan en moléculas de ATP. La glucólisis se produce en el citoplasma de la célula y no requiere oxígeno (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

Fuente: (Mrabet, 2013)

Ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico

El ciclo de Krebs comienza combinando acetil CoA de dos carbonos con una molécula de cuatro carbonos para formar un citrato de seis carbonos; se libera la coenzima A, la CoA no se altera permanentemente durante estas reacciones y se reutiliza muchas veces (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

El ciclo de Krebs es la segunda etapa de la respiración aeróbica, Durante el ciclo de Krebs, la energía química que se libera de la degradación de cada grupo acetilo (formado a partir del piruvato generado en la glucólisis) es captada en moléculas portadoras de energía. Cada grupo acetilo produce un ATP, se generan moléculas de tres NADH y un FADH2. El FAD un portador de electrones energizados parecido al NAD+. El FAD toma dos electrones energizados junto con dos H+ y forma FADH2. La energía generada por la molécula de glucosa es el doble de la energía generada por cada piruvato. El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la mitocondria y requiere oxígeno (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013). Fosforilación oxidativa.

La fosforilación oxidativa es la tercera y última etapa de la respiración aeróbica, en la cual se utiliza el oxígeno para producir ATP a partir de NADH y FADH2 generados en la segunda etapa. Durante esta etapa, los electrones de NADH y FADH2 se transfieren a una cadena de transporte de electrones, que utiliza la energía liberada para producir

ATP. La fosforilación oxidativa se lleva a cabo en la membrana mitocondrial y requiere oxígeno (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

Producción de energía a partir de otros nutrientes

Muchos organismos, dependen de otros nutrientes diferentes de la glucosa como fuente de energía, obtienen más energía mediante oxidación de ácidos grasos que por oxidación de la glucosa. Los aminoácidos derivados de la digestión de proteínas también se utilizan como moléculas de combustible. Estos nutrientes se transforman en uno de los intermediarios metabólicos que ingresan en la glucólisis o en el ciclo del ácido cítrico (Solomon,Berg, Martin, 2013)

Los aminoácidos se metabolizan por reacciones en las que se elimina primero al grupo amino (-NH2), llamado desaminación. La cadena de carbono se metaboliza y se utiliza como reactivo en uno de los pasos de la respiración aeróbica. El aminoácido alanina, se somete a la desaminación para convertirse en piruvato, el aminoácido glutamato se convierte en α-cetoglutarato, y el aminoácido aspartato produce oxaloacetato. El piruvato entra a la respiración aeróbica como el producto final de la glucólisis, y la α-cetoglutarato y el oxaloacetato entran en la respiración aeróbica como intermediarios en el ciclo del ácido cítrico (Solomon,Berg, Martin, 2013)

Los lípidos son ricos en energía, ya que son muy reducidos, 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 (Solomon,Berg, Martin, 2013).

Tanto el glicerol como los componentes de los ácidos grasos de un triacilglicérido se utilizan 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. Este proceso, que ocurre en la matriz mitocondrial, se llama β-oxidación. Las moléculas de acetil CoA formados por β-oxidación entran al ciclo del ácido cítrico (Solomon,Berg, Martin, 2013)

Figura 3-4

Esquema explicativo sobre la gluconeogénesis y el metabolismo (imageshack.us, 2013)

Respiración anaeróbica y fermentación

La respiración anaeróbica es un proceso de producción de energía en las células que se produce en ausencia de oxígeno. En este proceso, los organismos utilizan una serie de reacciones químicas para obtener energía a partir de nutrientes sin necesidad de oxígeno.

Cuando se realiza ejercicio extenuante, el oxígeno almacenado en las células musculares se agota rápidamente. Bajo condiciones anaeróbicas, el piruvato permanece en el citoplasma, donde se reduce a lactato. NAD+ Produce y utiliza para oxidar más gliceraldehido-3 - fosfato en la vía de Glucólisis, lo que produce una cantidad pequeña pero necesaria de ATP. (Timberlake, 2016)

La mayor parte de lactato se transporta al hígado donde se convierte de nuevo en piruvato, en condiciones anaeróbicas la única producción de ATP en la Glucólisis ocurre durante los pasos del qué fosforilan directamente el ADP lo que produce una ganancia neta de sólo dos moléculas de ATP (Timberlake, 2016)

Fermentación

Algunos microorganismos en particular las levaduras convierten los azúcares en etanol en condiciones anaeróbicas mediante un proceso llamado fermentación.

El proceso de fermentación mediante la levadura es una reacción más antigua que se conoce.

En condiciones anaeróbicas, después de la glucólisis ocurre la fermentación. Ésta no produce más ATP; La fermentación es necesaria para convertir el NADH producido durante la glucólisis en NAD+, que debe reciclarse constantemente para que la glucólisis continúe.

En condiciones anaeróbicas, sin oxígeno que permita el funcionamiento de la CTE, la célula tiene que regenerar el NAD+ por medio de la fermentación.

Durante la fermentación se donan electrones del NADH (junto con algunos iones hidrógeno) al piruvato, con lo que cambia químicamente. Si el suministro de NAD+ se agotara, la glucólisis se detendría, cesaría la producción energética y el organismo moriría muy rápido. (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

Dependiendo de la ruta metabólica con la que hayan evolucionado, los organismos realizan una de dos formas de fermentación para regenerar el NAD+: fermentación láctica, que produce ácido láctico a partir del piruvato, o la fermentación alcohólica, que produce alcohol y CO2 a partir del piruvato. Como la fermentación no degrada completamente la glucosa ni toma energía del NADH para producir más ATP, los organismos que dependen de la fermentación deben consumir más glucosa para generar la misma cantidad de ATP que los organismos que realizan la respiración celular. (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

La fermentación láctica ocurre en músculos tan activos que consumen todo el oxígeno que tienen.

Cuando les falta oxígeno, los músculos no dejan de trabajar de inmediato. Cuando los músculos tienen muy poco oxígeno, la glucólisis suministra sus escasas dos moléculas de ATP por molécula de glucosa, lo cual le permite aportar la energía necesaria para una aceleración breve y final. Para regenerar el NAD+, las células musculares fermentan moléculas de piruvato en lactato usando electrones del NADH y iones hidrógeno. (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

Cuando el oxígeno queda reabastecido, el lactato se convierte de nuevo en piruvato tanto en las células de los músculos, donde se usará para la respiración celular.

Muchos microorganismos, realizan la fermentación alcohólica en condiciones anaeróbicas. En los vinos espumosos la fermentación continúa en la botella, donde captan CO2 y producen las pequeñas burbujas por las que es famosa la champaña Durante la fermentación alcohólica, la glucosa se descompone en etanol y dióxido de carbono, produciendo una pequeña cantidad de energía en forma de ATP. Este proceso también es menos eficiente que la respiración aeróbica, pero permite a las células continuar produciendo energía en ausencia de oxígeno. (Teresa ,Gerald, Bruce, 2013)

Fuente: Tomada de (benmacaskill, 2018)

Fotosíntesis

Luz y fotosíntesis

Fotosíntesis es un proceso en el cual la energía de la luz se transforma en energía química en la forma de azúcares. En este se crean moléculas de glucosa a partir de agua y dióxido de carbono, mientras se libera oxígeno como subproducto.

Gracias a que gran parte de la vida depende de la luz, ya sea de manera directa o indirecta, siempre es importante entender su naturaleza. La luz visible simboliza una parte del amplio de radiación, llamado espectro electromagnético. En este espectro toda la radiación viaja como ondas. En este la radiación viaja como ondas. La luz se compone de pequeñas partículas, o paquetes de energía llamados fotones. La energía en un fotón es inversamente proporcional a la longitud de su onda. Al momento de una molécula absorbe un fotón de energía luminosa, uno de sus electrones queda energizado, entonces se llega a presentar dos situaciones para este electrón, el átomo puede reanudar su estado fundamental, en este su energía se disipa en forma de calor o como emisión de luz (Salomon, Berg, & Martin, 2013)

Fuente: Wikimedia Commons

Cuando una molécula absorbe un fotón de energía luminosa, sus electrones están excitados, lo que significa que los electrones están en transición de orbitales atómicos de baja energía a orbitales de alta energía. La energía más alejada del núcleo entonces puede presentarse este electrón tiene dos situaciones dependiendo del átomo y su entorno.

Todos los espectros electromagnéticos tienen propiedades semejantes, pero discrepan en su longitud de onda. Las ondas de radio son las de superior longitud de onda, con valores próximos a los 20 km. Las ondas de los rayos gamma son de menor longitud de onda.

Las regiones del espectro electromagnético, es prácticamente infinita y continuo, pero hasta el momento se ha podido conocer algunas regiones, conocidas como bandas o segmentos.

Fuente: Wikimedia Commons

Algunos son:

• Rayos gamma

• Rayos X

• Radiación ultravioleta extrema

• Radiación ultravioleta cercana

• Espectro visible de la luz

• Infrarrojo cercano

• Infrarrojo medio

• Infrarrojo lejano o submilimétrico

• Radiación de microondas

• Ondas de radio de ultra alta frecuenci

Cloroplasto

El cloroplasto son organelos presentes en las células de las plantas, en este se desarrolla la fotosíntesis, los cloroplastos forman parte de una familia de orgánulos llamados platidios o plastos, los cloroplastos varían en forma y tamaño, especialmente en las algas, y dependen de canales iónicos osmóticos y mecánicos. Suelen tener forma ovalada o de disco, pero también en forma de estrella, de cinta, entre otras.

Los cloroplastos constan de varios compartimentos, el más externo de los cuales es la envoltura, que consta de dos membranas, una externa y una interna, y un espacio entre las dos membranas. A diferencia de las mitocondrias, no hay pliegues en la membrana interna. Dentro de los cloroplastos hay tilacoides, que son sacos planos separados por membranas y empaquetados para formar estructuras similares a monedas llamadas gránulos. Estas chimeneas están conectadas lateralmente entre sí con la ayuda de membranas. Las proteínas y moléculas responsables de parte de la fotosíntesis se encuentran en la membrana tilacoide. Los tilacoides tienen membranas ricas en galactolípidos. Las membranas tilacoides se pueden formar a partir de la membrana interna a través del proceso de formación de vesículas. De hecho, sus lípidos se transfieren desde la envoltura a través de vesículas o esferoides plástidos. El espacio

Fuente: Pixabay dentro del cloroplasto que no está ocupado por tilacoides se llama estroma, donde se lleva a cabo el ADN y otros procesos fotosintéticos. Normalmente, el ADN está unido a la membrana interna o membrana interna del tilacoide (Salomon, Berg, & Martin, 2013)

La división del cloroplasto depende de las proteínas sintetizadas por el núcleo y el propio cloroplasto. Inicialmente, se forman dos anillos de proteínas durante la división: un anillo interno de proteínas del cloroplasto y uno externo de proteínas relacionadas con la dineína de los genes nucleares. Ambos bucles están conectados por una proteína transmembrana. Estos lazos guiarán la división de los orgánulos.

El movimiento intracelular de los cloroplastos es una estrategia utilizada por las plantas para adaptarse a las condiciones de luz. Hay dos tipos de movimientos, cuando la luz es baja se acercan a la cara periclinal, y cuando es intensa se alejan de ella. Esto parece estar mediado por fotorreceptores ubicados en la membrana plasmática y el propio cloroplasto, respectivamente (Wada & Kong, 2018)

Figura 4-6. Disposición de los cloroplastos en las células de las hojas. A. thaliana. (modificado de Wada y Kong, 2018)

La tarea principal del cloroplasto es convertir la energía lumínica electromagnética en energía de unión química gracias a la clorofila, la ATP sintasa y la ribulosa bisfosfato carboxilasa/oxigenasa. La fotosíntesis consta de dos partes: energía luminosa, que se convierte en gradientes de protones para la síntesis de ATP y se produce NADPH, una fase luminosa y una fase oscura, donde se fija el CO2. en forma de fosfatos de azúcar con tres átomos de carbono.

Fotosíntesis: reacciones dependientes de la luz

En una reacción dependiente de la luz, la radiación solar fosforila ADP, genera ATP y reduce

NADP forma NADPH. La energía luminosa captada por la clorofila se almacena temporalmente en estos dos compuestos. Las respuestas dependientes de la luz se resumen a continuación. En este proceso, las moléculas de agua se convierten en gas oxígeno.

6 O2 + 12 NADPH + 18 ATP (Salomon, Berg, & Martin, 2013).

12 H2O + 12 NADP + 18 ADP + 18Pι

Normalmente, las reacciones relacionadas con la luz capturan la energía de la luz y la almacenan temporalmente en forma química de ATP y NADPH.

NADPH dona sus electrones para convertir moléculas de dióxido de carbono en azúcares y el ATP se descompone y libera energía. Eventualmente, la energía que comenzó como luz termina en los enlaces del azúcar atrapado.

Los fotosistemas I y II constan de un centro de reacción La reacción de fotosíntesis dependiente de la luz comienza con la clorofila a y/o los pigmentos accesorios absorben la luz. Usando modelos actualmente aceptados, la clorofila a y b y la molécula las células pigmentarias accesorias, junto con las proteínas ligadores de pigmentos de las membranas tilacoides, se organizan en unidades denominadas complejos antena.

Fuente: Wikimedia Commons

El centro de reacción del fotosistema I se compone en pares de moléculas de clorofila a con absorción en 700 nm, que se describe como P700. Fotosistema II está conformado por un par de moléculas de clorofila a con un pico de absorción aproximado a 680 nm, referido como P680 (Salomon, Berg, & Martin, 2013).

El transporte acíclico de electrones produce ATP y NADPH: El análisis del transporte de electrones acíclicos involucra los siguientes eventos ocurren en el fotosistema

I. Moléculas de pigmento de un complejo de antena asociado con el fotosistema absorbe los fotones. La energía absorbida se transfiere de una molécula de pigmento a otra hasta llegar al centro de reacción fotoquímica donde se excita electrones en la molécula

P700. Este electrón cargado se transfiere a el aceptor primario de electrones, una molécula especial de clorofila-a, los electrones excitados se mueven a lo largo de la cadena de transporte un electrón va de un aceptor de electrones a otro hasta que alcanza ferredoxina, una proteína que contiene hierro. La transferencia de ferredoxina transmite electrones a NADP en presencia de la enzima

Fuente: Flickr (2011) ferredoxina-NADP reductasa (Salomon, Berg, & Martin, 2013)

Fotosíntesis: reacciones de fijación de carbono

Es un proceso biológico necesario ya que utiliza la energía de la luz para convertir el carbono en compuestos orgánicos, indispensable para mantener una gran parte de vida, es un suministro casi ilimitado de luz para ofrecer energía anabólica a células vivas artificiales mediante a un proceso similar a la fotosíntesis. (Europa Press, 2020)

Las reacciones de fijación de carbono, utiliza energía de ATP y NADPH para formar moléculas orgánicas a partir del CO2.

12 NADPH + 18 ATP + 6CO2 C6H12O6 + 12 NADPH + 18Pι + 6H2O

La mayoría de las plantas utilizan el ciclo de Calvin para asegurar el carbono, ocurre en el estroma mediante una secuencia de trece reacciones.

Las reacciones del ciclo de Calvin se dividen en tres fases:

Absorción de CO2: Consiste en una reacción individual en el que el CO2 reacciona con un compuesto de cinco carbonos fosforilado, esta reacción cataliza por la enzima rubisco. El producto de esta reacción es un intermediado de seis carbonos inestables, que rompen moléculas de fosfoglicerato.

Reducción de carbono: La segunda fase consiste en dos pasos en el cual la energía y la potencia reducida de ATP y de NADPH se utilizan para convertir moléculas de gliceraldehído.

Regeneración de RuBP: Aunque se lleguen a eliminar dos moléculas de G3P del ciclo, se resta 10 moléculas de G3P; esto figura 30 átomos de carbono y mediante 10 reacciones que establece la tercera fase (Salomon, Berg, & Martin, 2013)

La fotorrespiración reduce la eficiencia fotosintética, muchas plantas, no producen tantos carbohidratos mediante la fotosíntesis, especialmente durante períodos en el verano. Este fenómeno es una consecuencia del proceso de equilibrio que debe mantener la planta entre el CO2 que se necesita para la fotosíntesis ocurre en las células mesófilas dentro de la hoja y en la entrada y salida de gases.

Fuente: Wikimedia Commons.

La etapa inicial de la fijación del carbono defiere en las plantas C4 y en las plantas CAM, el CO2 no es un gas muy abundante, así que para las plantas no es fácil obtener el CO2 que se necesitan. Las plantas C4 primero fijan el CO2 en un compuesto de cuatro carbonos, el oxalacetato. Las plantas CAM principalmente fijan carbono en la noche mediante la formación de oxalacetato.

A diferencia de la mayoría de las plantas, las plantas CAM abren sus estomas por la noche para absorber dióxido de carbono reducir la pérdida de humedad, ellos usan la carboxilasa PEP fija el CO2 para formar oxalacetato, donde se convierte en malato y se almacena en vacuolas celulares. durante el día, cuando las estomas se cierran e intercambian.

Glosario

Actividad enzimática: es una reacción que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más rápido que la correspondiente reacción no catalizada.

Adhesión: es la atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo.

ATP: Adenosina trifosfato

Células adyacentes: son las células que están conectadas por una estructura llamada uniones, con características específicas las cuales crean canales entre las células.

Cilios: Las células lo utilizan para mover líquidos y partículas a través de la superficie celular

Citosol: Fluido que compone al citoplasma

Cohesión celular: es una propiedad fundamental de tejido epitelial que permite la permeabilidad selectiva y contiene la función de barrera mecánica.

Desmosomas: son las uniones que conectan las membranas celulares y los filamentos intermedios plasmáticos de células adyacentes.

Enzimática: se refiere a enzimas o relacionadas con ellas.

FAD: flavin adenin dinucleótido,

Fibras: Tejido compuesto de célula.

Flagelos: Ayuda a la célula moverse en un entorno acuoso.

Fosfolípidos: son lípidos anfipáticos que se encuentran en todas las membranas celulares, las cuales disponen de bicapas lipídicas.

Fosforilación: está formada con raíces griegas "adición de un grupo fosfato a otra molécula".

Fotón: Partícula pequeña de energía luminosa o de otra energía electromagnética que se produce, se transmite y se absorbe.

Fotoquímica: Estudio de los efectos químicos de la luz y producción de radiación por transformaciones químicas.

Integridad tisular: es el estado en el que un individuo experimenta daños en la membrana mucosa o en los tejidos corneal, tegumentario o subcutáneo.

NAD: nicotín adenin dinucleótido

Ósmosis: se trata de una difusión pasiva, la cual se caracteriza por el paso de agua, disolvente a través de la membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada.

Patógenos: Microorganismo que causa enfermedades o produce daño al huesped

Permeabilidad: es una propiedad de la membrana que no deja atravesar solutos, a partir de un determinado tamaño, dependiendo del grosor de la membrana y del tamaño de los poros.

Plastidios: Organelos e las células vegetales y de las algas capaces de autorreplicarse.

Síntesis: Producción o formación de algo en específico.

Tilacoides: Sacos aplanados que son independientes de la membrana interna del cloroplasto.

Transmembrana: son un tipo de proteínas de membrana que abarcan la totalidad de la membrana biológica a la que están unidos de forma permanente.

Vacuola: Sacos grandes que pueden acumular agua.

Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo o materia.

Referencias

Adhanali. (2007). Tropomyosin unbound to actin [Imagen]. Wikimedia commons.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tropomyosin_unbound_to_actin.png

Alberts, B., Johnson , A., Lewis , J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2002). Molecular Biology of the cell. New York: Garland Science.

Álvarez, D. O. (2021). Reacciones Redox [esquema] características https://concepto.de/reacciones-redox/

Audesirk, T., Audersirk, G., & Byers, B. E. (2012). Biología La vida en la Tierra. México: Pearson Education de México.

Benmacaskill. (2018). Fermentación. [Imagen] Flickr https://www.flickr.com/photos/benmacaskill/43835494530. CC.BY 2.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transporte_de_electrones.jpg . CC-BY-SA4.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Model_of_the_energy_generating_mechanism _in_marine_bacteria.jpg

Bustamantes Y (2015), Transporte de electrones [Imagen], Commons Wikipedia.

Carlson, K. (2010). Model of the energy generating mechanism in marine bacteria [Imagen]. Wikimedia commons.

Castrejon, I. (2014). Membrana biológica. Obtenido de https://slideplayer.es/161458/2/images/slide_1.jpg

Commons, W. (2006). Mosaico fluido de la membrana celular (fosfolípidos). Obtenido de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Fluid_Mosaic.svg commons, w. (2007). Transporte pasivo, difusión facilitada. Obtenido de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Passive_vs_Active_Mem br ane_Transport-es.svg/330px-Passive_vs_Active_Membrane_Transport-es.svg.png commons, w. (2021). transporte pasivo, osmosis. Obtenido de https://concepto.de/wpcontent/uploads/2019/04/osmosis-2-e1554334461339800x400.png

Commos, W. (2007). Trasporte pasivo, difusión facilitada . Obtenido de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Passive_vs_Active_Mem br ane_Transport-es.svg/330px-Passive_vs_Active_Membrane_Transport-es.svg.png commosn, w. (2016). Modelo del sándwich davson y daneielli . Obtenido de http://image.slidesharecdn.com/membrana09b-090923153913phpapp01/95/membrana09-b-7-728.jpg?cb=1253738509

DataBase Center for Life Science (2017) Cell [Imagen] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8d/201710_SingleCell.svg https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=+intermediate+filaments&title=Sp ecial:MediaSearch&go=Go&type=image

Deus, B. (2012). Filamento intemedio [Imagen]. Wikimedia commons.

E. (2018). Transporte Pasivo. Obtenido de https://www.ejemplos.cc/wpcontent/uploads/2022/08/transporte-pasivo.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plagiomnium_affine_laminazellen.jpeg https://pixabay.com/es/illustrations/la-fotos%C3%ADntesis-3498260/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vista_general_senzilla_de_la_fotos%C3%AD ntesi.svg

Fabelfroh, K. P. --. (2006, January 11). Plagiomnium affine laminazellen. Wikimedia Commons.

Figura 4-1. Diagrama de la fotosíntesis y Planta. Pixabay.

Figura 4-10. Imagen, Vista cheneral simpla d’a fotosintesi.svg. Daniel Mayer (2009). Wikimedia Commons.

Figura 4-11 Imagen, Cross section of Arabidopsis thaliana, a C3 plant. Wikimedia Commons. (2013) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cross_section_of_Arabidopsis_thaliana,_a_C 3_plant..jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fotos%C3%ADntesis-imagendemostrativa.jpg

Figura 4-2. Imagen, Fotosíntesis-demostrativa. Meily Poot (2021). Wikimedia Commons.

Figura 4-3. Imagen, Espectro de las ondas electromagnéticas. Philip Ronan (2008).

Wikimedia Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_spectrum_es.svg https://pixabay.com/es/illustrations/cloroplastos-celda-biolog%C3%ADa-6258213/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thylakoid_membrane_%28es%29.svg

Figura 4-4. Imagen. Cloroplastos. Fuente: Autoría propia. Andrea Garrido (2023).

Figura 4-5. Imagen. Cloroplastos, Celda y Biología. Pixabay.

Figura 4-6. Disposición de los cloroplastos en las células de las hojas. A. thaliana. (modificado de Wada y Kong, 2018).

Figura 4-7. Imagen Thylakoid membrane. AngellHerraez (2014). Wikimedia Commons.

Figura 4-8. Imagen, Reaction. Flickr (2011) https://www.flickr.com/photos/60296733@N06/5514060138

Figura 4-9. Imagen. Ciclo de Calvin. Autoría Propia. Andrea Garrido (2023) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animal_mitochondrion_diagram_fr.svg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Critique_of_the_Theory_of_Evolution_Fig_045 .jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gluconeog%C3%A9nesis_svg.svg CC BY 1.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Golgi_apparatus_(borderless_version)-en.svg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Endoplasmic_reticulum_1_ _SmartServier.png https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cell_nucleus_I_--_Smart-Servier.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cytoskeleton_-

Gray, E. (2006). mitochondrion [Imagen]. In Wikimedia Commons.

Hunt, T. (1916). Critique of the Theory of Evolution Fig 045 [Imagen]. Wikimedia commons.

Imageshack (2013) gluconeogénesis y Metabolismo [Esquema] Commons Wikipedia.

Kelvinsong. (2012). English: Diagram of the Golgi apparatus, without the frame. [Imagen]. In Wikimedia Commons.

Laboratoires Servier Native. (2019). Endoplasmic reticulum [Imagen]. In Wikimedia Commons.

Laboratoires Servier. (2019). Cell nucleus [Imagen]. In Wikimedia Commons.

Laboratoires Servier. (2019). Cytoskeleton - Actine filament Microtubule Intermediate filament - Smart-Servier [Imagen]. Wikimedia commons.

_Actine_filament_Microtubule_Intermediate_filament_--_Smart-Servier.jpg

Lifeder. (2022). Membrana plasmática. Obtenido de https://www.lifeder.com/wpcontent/uploads/2019/12/esquema-membrana-plasmaticalifeder-min-689x420.jpg

Lodish, H., Baltimore, D., Berk , A., Zipursky , S., Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molecular cell Biology. New York: Freeman And Company.

Lucentini, M. (2019). Estructura de la membrana biológica . Obtenido de https://www.fmed.uba.ar/sites/default/files/201910/12_MEMBRANAS%20BIOLOGICA S.pdf C.C.,

Lysosomes. (2020). [Imagen]. In Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lysosomes.jpg

Marini, j. (2008). permeabilidad selectiva de la bicapa liídica. Obtenido de https://thumbs.dreamstime.com/z/permeabilidad-selectiva-de-labicapalip%C3%ADdica-membrana-celular-semipermeable-se-refiere-unalascaracter%C3%ADsticas-distintivas-180147551.jpg

Medina M. (2013) Células Parabasales [Imagen] https://www.flickr.com/photos/97815254@N06/9242435212/in/photostream/ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2e/Glycolysis-es.svg/800pxGlycolysis-es.svg.png?20140713153832. CC BY-SA 3.0

Mrabet Y, (2013). Glucólisis [Esquema] Commons Wikipedia.

OpenStax. (2017). Proteínas periféricas e integrales de la membrana . Obtenido de https://cdn.kastatic.org/kaperseusimages/232f4a59434cfe373a9a19fecfd7bd6e87dcb67f.png https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Celula_Eucariota_Animal_3%281%29.gif

Romero Ruiz, N. V. (2016). File:Celula Eucariota Animal 3(1).gif - Wikimedia Commons [Imagen]. In Wikimedia.org.