Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Verónica Daniela Hernández Guzmán
Edith Herrera Reyes
Raúl Calixto Flores
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Verónica Daniela Hernández
Guzmán
Edith Herrera Reyes
Raúl Calixto Flores
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Datos para catalogación bibliográfica:
Hernández Guzmán, Verónica Daniela, Edith Herrera, Raúl Calixto
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Primera edición
ISBN: 9786075702223
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Las progresiones que abordarás durante este semestre son:
1. Dentro de las células de los organismos fotosintéticos hay estructuras responsables que facilitan que la energía del Sol sea capturada por las plantas durante el proceso y se forme la materia vegetal.
2. A través de las reacciones químicas involucradas en la respiración celular de plantas y animales, las moléculas de los alimentos se rompen y se libera energía útil para los seres vivos.
3. Durante la fotosíntesis el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar moléculas orgánicas que contienen carbono y liberar oxígeno, estas reacciones requieren energía solar y producen azúcares.
4. La energía solar se distribuye en el planeta, las condiciones físicas del ambiente (temperatura y la precipitación) dan lugar a diferentes formas de vida
5. Los biomas son las grandes regiones de vegetación a nivel mundial en función de la distribución de la energía en las distintas regiones de la Tierra.
6. Las redes tróficas tienen diferentes niveles y el uno de los primeros está formado por plantas y algas. En los flujos de materia y energía, que se presentan en los niveles de las redes tróficas, solo una pequeña fracción de la materia consumida en el nivel inferior se transfiere al nivel superior, para producir crecimiento y liberar energía durante la respiración celular. Dada esta ineficiencia, generalmente hay menos organismos en los niveles más altos de una cadena trófica.
7. La energía solar captada por las plantas fluye a través de la biomasa, al ser consumida por los herbívoros y los demás integrantes de la red trófica. En este proceso también no toda la energía de las plantas llega a los siguientes niveles.
Progresiones
iii
8. En las redes tróficas disminuyen los niveles debido a que la cantidad de energía disponible que se transfiere al siguiente nivel es cada vez menor.
9. El grado en el que sucede la fotosíntesis varía conforme a la cantidad de energía solar, lo que origina diferencias en el crecimiento de las plantas (productividad). De la misma forma, en los ecosistemas y en sus comunidades también se presentan diferencias de productividad.
10. En cualquier ecosistema, los organismos y poblaciones con necesidades similares de alimentos, agua, oxígeno u otros recursos pueden competir entre sí, limitando su crecimiento y su reproducción.
11. En los ecosistemas y comunidades la estabilidad y madurez varía, lo cual origina diferentes productividades. Los ecosistemas inestables e inmaduros son más vulnerables a perturbaciones y esto afecta su productividad.
12. Las sustancias presentes en los organismos vivos intervienen en las redes tróficas, en ellas se combinan y recombinan de diferentes formas y fluyen entre los organismos, la atmósfera y el suelo. En cada nivel de la cadena trófica, la materia y la energía se conservan. Por ejemplo, en una etapa del ciclo del carbono sucede la fotosíntesis y la respiración celular, en ella se dan procesos químicos, físicos y biológicos, en los que se intercambia el carbono entre la biosfera, la atmósfera y los océanos.
13. Los servicios ecosistémicos o ambientales son aquellos que la naturaleza o los procesos ecológicos proveen a los seres vivos y al planeta y son considerados el motor del medio ambiente.
14. La ciencia como un esfuerzo humano para el bienestar, parte 3. Discusión de la aplicación de las ciencias naturales: Desequilibrio ecológico.
iv Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Contenido
Unidad 1 ......................................................2
Progresión 1 .......................................5
Introducción ......................................5
Evolución celular ..........................................5
Revolucionando la vida de la humanidad en la medicina ...........................................7
Explorando la complejidad de la célula ...........9
Interacciones celulares: comprensión de las redes dinámicas de la vida ................14
La fascinante arquitectura de la vida ............20
Progreso ..............................................26
Progresión 2 .....................................27
Introducción ....................................27
Los procesos energéticos de la célula ...........28
Cloroplastos ............................................28
Fotosíntesis ............................................29
Respiración celular ...................................31
Respiración aerobia ..................................32
Respiración anaerobia ..............................32
Dinámica energética: explorando los ujos de energía ..................................37
Respiración celular en plantas ....................38
Respiración: un mecanismo para la obtención de energía ................................39
Metabolismo en acción: descubriendo los secretos de la energía celular ................42
El arte de la creación ...................................43
Crecimiento: el motor invisible del cambio ....45
La irritabilidad en los seres vivos en movimiento .........................................46
Las sorprendentes adaptaciones de los seres vivos .....................................46
Evolución: un viaje de cambio y adaptación ...47
Progreso ..............................................49
Progresión 3 ......................................51
Introducción .....................................51
Conexiones vitales: comprendiendo el ujo de materia y energía en los ecosistemas .......52
Comprendiendo los ciclos biogeoquímicos ....55
El viaje del agua: un ciclo sin n ..................57
El latido del planeta: el ciclo vital del carbono 59
El baile del nitrógeno: un viaje en la biosfera .60
Explorando el ciclo del fósforo ....................62
El legado del azufre ..................................64
El arte de la alimentación: explorando las cadenas tró cas ....................................65
Progreso .............................................70
Unidad 2 ....................................................72
Progresión 4 ......................................75
Introducción .....................................75
unidad Progresiones: Dentro de las células de los organismos fotosintéticos hay estructuras responsables que facilitan que la energía del ol sea capturada por las plantas durante el proceso y se forme la materia vegetal. través de las reacciones químicas involucradas en la respiración celular de plantas y animales, las moléculas de los alimentos se rompen y se libera energía til para los seres vivos. Durante la fotosíntesis el dió ido de carbono el agua se combinan para formar moléculas orgánicas que contienen carbono y liberar o ígeno, estas reacciones requieren energía solar producen cares. Metas: econocer que la fotosíntesis es un proceso esencial para la vida. Descubrir que los organismos que llevan cabo la fotosíntesis por emplo, plantas, algas, fitoplancton utili an la lu solar, el agua y el dió ido de carbono. nali ar que los cambios en los sistemas se deben a diferentes causas también tienen distintos efectos. Identificar que los sistemas pueden diseñarse para causar un efecto esperado. plicar modelos físicos, matemáticos, computacionales) para simular el funcionamiento de los sistemas. Determinar los cambios de la materia la energía en función de los flu os hacia, desde y dentro del sistema, así como de los ciclos involucrados. mplear el principio de conservación en el que la energía no se crea ni se destruye, solo se mueve entre un lugar otro, entre ob etos o campos, o entre sistemas. stablecer la solución a un problema a partir de la estructura la función del sistema. 1 1 unidad Progresiones: Metas: CC. Reconocer que la fotosíntesis es un proceso esencial para la vida. Descubrir que los organismos que llevan a cabo la fotosíntesis (por ejemplo, plantas, algas, fitoplancton) utilizan la luz solar, el agua el dióxido de carbono. CT2. Analizar que los cambios en los sistemas se deben a diferentes causas y también tienen distintos efectos. Identificar que los sistemas pueden diseñarse para causar un efecto esperado. CT4. Aplicar modelos (físicos, matemáticos, computacionales) para simular el funcionamiento de los sistemas. CT5. Determinar los cambios de la materia y la energía en función de los flujos hacia, desde dentro del sistema, así como de los ciclos involucrados. Emplear el principio de conservación en el que la energía no se crea ni se destruye, solo se mueve entre un lugar otro, entre objetos y/o campos, o entre sistemas. CT6. Establecer la solución un problema a partir de la estructura la función del sistema. 2 La energía solar se distribuye en el planeta, las condiciones físicas del ambiente (temperatura precipitación) dan lugar diferentes formas de vida Los biomas son las grandes regiones de vegetación a nivel mundial en función de la distribución de la energía en las distintas regiones de la Tierra. Las redes tróficas tienen diferentes niveles y uno de los primeros está formado por plantas algas. En los flujos de materia y energía, que se presentan en los niveles de las redes tróficas, solo una pequeña fracción de la materia consumida en el nivel inferior se transfiere al nivel superior, para producir crecimiento y liberar energía durante la respiración celular. Dada esta ineficiencia, generalmente hay menos organismos en los niveles más altos de una cadena trófica. 2
v
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Factores ambientales: ¿qué son y cómo afectan a los seres vivos? .................75
Irradiando sostenibilidad: el poder de la energía solar en nuestras vidas ............76
La importancia de la luz solar en la dinámica ambiental de los ecosistemas acuáticos ................................................77
Temperatura ..........................................79
Latitud y altitud ......................................81
Atmósfera .............................................81
Agua ....................................................83
Suelo ...................................................84
Dióxido de carbono (CO2 ) ..........................87
Factores bióticos.....................................87
Progreso ...............................................89
Progresión 5 ......................................90
Introducción .....................................90
La danza de la vida: cómo las poblaciones interactúan en los ecosistemas .....................92
Propiedades de una población ....................92
¿Nuestras acciones afectan a los ecosistemas? ..................................97
El crecimiento exponencial: cómo
la población se multiplica en el tiempo .........101
El hogar de la vida: los ecosistemas nos proporcionan los recursos necesarios para sobrevivir ........................108
La comunidad de la vida: los biomas .............111
El equilibrio de la naturaleza: cómo
la biosfera se autorregula y evoluciona .........112
Progreso ..............................................114
Progresión 6 .....................................116
Introducción ....................................116
Energía en acción: desentrañando los misterios de las cadenas tró cas ............117
Progreso .............................................124
Progresión 7 ....................................129
Introducción ...................................129
Explorando los ujos de materia y energía en la naturaleza .........................................130
Producción primaria, producción secundaria y energía y biomasa .................................134
Progreso ............................................140
Progresión 8 ...................................142
Introducción ...................................142
La radiación solar ......................................143
El impacto radiante del Sol en el medio ambiente ...................................144
La energía en los seres vivos ......................147
La energía en los ecosistemas ....................149
El equilibrio de la vida: descifrando las pirámides ecológicas o tró cas .............151
Progreso ............................................158
Progresión 9 ....................................160
Introducción ...................................160
El metabolismo ..........................................161
El baile de las moléculas: un viaje por las rutas metabólicas ........................162
Nutriendo la vida desde adentro: la nutrición celular ................................165
Unidad 3 ..................................................126 unidad Progresiones: Metas: CC. Reconocer que la fotosíntesis es un proceso esencial para la vida. Descubrir que los organismos que llevan a cabo la fotosíntesis (por ejemplo, plantas, algas, fitoplancton) utilizan la luz solar, el agua el dióxido de carbono. CT Analizar e interpretar los patrones para rediseñar y mejorar los sistemas. Utilizar las representaciones matemáticas para identificar algunos patrones. CT2. Analizar que los cambios en los sistemas se deben a diferentes causas también tienen distintos efectos. Identificar que los sistemas pueden diseñarse para causar un efecto esperado. CT4. Aplicar modelos (físicos, matemáticos, computacionales) para simular el funcionamiento de los sistemas. CT5. Determinar los cambios de la materia la energía en función de los flujos hacia, desde y dentro del sistema, así como de los ciclos involucrados. Emplear el principio de conservación en el que la energía no se crea ni se destruye, solo se mueve entre un lugar y otro, entre objetos y/o campos, o entre sistemas. CT6. Establecer la solución a un problema a partir de la estructura y la función del sistema. CT Reconocer los procesos de retroalimentación y su efecto en la estabilidad del sistema. Diseñar elementos que proporcionen estabilidad a un sistema. 3 La energía solar captada por las plantas fluye a través de la biomasa, al ser consumida por los herbívoros los demás integrantes de la red trófica. En este proceso también no toda la energía de las plantas llega a los siguientes niveles. En las redes tróficas disminuyen los niveles debido a que la cantidad de energía disponible que se transfiere al siguiente nivel es cada vez menor. El grado en el que sucede la fotosíntesis varía conforme a la cantidad de energía solar, lo que origina diferencias en el crecimiento de las plantas (productividad). De la misma forma, en los ecosistemas en sus comunidades también se presentan diferencias de productividad. 3
vi
El hambre en el planeta ..........................173
Progreso ............................................174
Progresión 10 ...................................176
Introducción ...................................176
Reproducción ...........................................177
Reproducción sexual ...............................180
Diferencias entre reproducción asexual y sexual .............................................180
Reproducción de las poblaciones ..............183
Factores limitantes: competencia y depredación entre las poblaciones ..........185
Poblaciones humanas .............................186
Progreso ............................................188
Unidad 4 ..................................................190
4
En los ecosistemas y comunidades la estabilidad madurez varía, lo cual origina diferentes productividades.
CT1. Analizar e interpretar los patrones para rediseñar mejorar los sistemas. Utilizar las representaciones matemáticas para identificar algunos patrones.
CT2. Analizar
CT3. Aplicar el concepto de orden de magnitud para comprender cómo un modelo en una escala se relaciona con otro en una escala distinta. Usar el pensamiento matemático para examinar datos y eventualmente predecir el efecto del cambio de una variable sobre otra(s).
Aplicar modelos (físicos, matemáticos, computacionales) para simular el funcionamiento de
Progresión 11 ...................................193
Introducción ...................................193
Descubriendo los recursos naturales ..........193
El poder de los recursos naturales renovables ............................................197
El desafío de los recursos naturales no renovables ........................................200
Equilibrio frágil: la crisis de los recursos naturales ..............................................202
Progreso ............................................204
Progresión 12 ...................................206
Introducción ...................................206
Impacto ambiental ....................................207
De nición de impacto ambiental ...............208
Causas del deterioro ambiental .................209
Posibles efectos del cambio
climático global ......................................217
Adelgazamiento de la capa de ozono ............219
Deforestación ........................................222
Progreso ............................................224
Progresión 13 ...................................226
Introducción ...................................226
Esfuerzos para el cuidado de la biodiversidad: Legislación ambiental y áreas naturales protegidas ................................................229
Áreas naturales protegidas ......................232
Horizontes sostenibles, las energías alternativas ..........................................237
El potencial del agua; energía hidráulica ....238
La danza sostenible del viento; energía eólica ...................................238
El poder del Sol en nuestra vida; energía solar .....................................239
Transformando residuos; el biogás ...........240
La energía que brota de la Tierra; energía geotérmica ..............................241
Fusión limpia; energía nucleoeléctrica .......242
Progreso ............................................244
Progresión 14 ...................................246
Introducción ...................................246
Ciencia sostenible: el poder humano para rescatar a nuestro planeta .................247
Educación ambiental; nuestro compromiso con el planeta ........................................249
Desarrollo sustentable o la forma de sembrar un futuro verde . .....................................252
Progreso ............................................256
unidad Progresiones: Metas: • CC. Reconocer que la fotosíntesis es un proceso esencial para la vida. Descubrir que los organismos que llevan cabo la fotosíntesis (por ejemplo, plantas, algas, fitoplancton) utilizan la luz solar, el agua y el dióxido de carbono. Comprender la estructura de las redes tróficas la función de las plantas y algas, los animales, los animales que se alimentan de animales los descomponedores. Identificar que cuando la energía y la materia circulan, se dan cambios físicos y químicos en los organismos vivos del planeta. Aplicar el conocimiento sobre la materia la energía en cada nivel de la red trófica. Aplicar el conocimiento sobre el ciclo del carbono la conservación de la materia para visualizar el intercambio de carbono entre la biosfera, la atmósfera
los océanos.
que los cambios en los sistemas se deben diferentes causas y también tienen distintos efectos. Identificar que los sistemas pueden diseñarse para causar un efecto esperado.
destruye, sólo se mueve entre un lugar otro, entre objetos y/o campos, o entre sistemas. CT7. Reconocer los procesos de retroalimentación y su efecto en la estabilidad
4
CT4.
los sistemas. Predecir a partir de modelos el comportamiento de un sistema y reconocer que la precisión del modelo depende de la información disponible. CT5. Determinar los cambios de la materia la energía en función de los flujos hacía, desde dentro del sistema, así como de los ciclos involucrados. Emplear el principio de conservación en el que la energía no se crea ni se
del sistema. Diseñar elementos que proporcionen estabilidad a un sistema.
Los ecosistemas inestables e inmaduros son más vulnerables perturbaciones esto afecta su productividad. Las sustancias presentes en los organismos vivos intervienen en las redes tróficas, en ellas se combinan y recombinan de diferentes formas y fluyen entre los organismos, la atmósfera el suelo. En cada nivel de la cadena trófica, la materia y la energía se conservan. Por ejemplo, en una etapa del ciclo del carbono sucede la fotosíntesis la respiración celular, en ella se dan procesos químicos, físicos biológicos, en los que se intercambia el carbono entre la biosfera, la atmósfera los océanos. Los servicios ecosistémicos o ambientales son aquellos que la naturaleza o los procesos ecológicos proveen a los seres vivos y al planeta son considerados el motor del medio ambiente. La ciencia como un esfuerzo humano para el bienestar, parte 3. Discusión de la aplicación de las ciencias naturales: Desequilibrio ecológico.
vii Contenido
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Evaluación diagnóstica
Completa los enunciados con las palabras que se encuentran en el recuadro, posteriormente escribe las dificultades que tuviste para resolver el ejercicio.
La es el elemento fundamental de todos los . El cuerpo está constituido por miles de billones de células. Ellas proporcionan estructura al , absorben los nutrientes de los alimentos, convierten estos nutrientes en y realizan funciones especializadas. Además, las células contienen el material genético del y pueden reproducirse a sí mismas.
• Reflexiona sobre las siguientes preguntas y responde argumentando tu respuesta.
1. ¿Has utilizado un microscopio?, ¿para qué?
2. ¿Te has preguntado qué instrumento se utilizó para estudiar las células?
3. ¿Conoces el tipo de células que habitan en tu cuerpo? Menciona algunas.
4. ¿Sabes cómo respira una célula? energía humano organismo seres vivos célula cuerpo
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica 4
Introducción
En esta progresión te presentaremos referentes básicos para comprender las interacciones que se producen en el interior de la célula, ya que su relación con los ecosistemas es fundamental para entender la complejidad de la vida en la Tierra. La historia evolutiva de los organismos unicelulares y pluricelulares revela la interdependencia y especialización de las células, que se unen para formar tejidos, órganos y sistemas. La respiración celular y la fotosíntesis son procesos vitales que sustentan la vida en los ecosistemas, ya que transforman la energía y la materia. Las células vegetales, son cruciales para la fotosíntesis, que a su vez es esencial para la producción de oxígeno y la fijación de carbono en los ecosistemas. La respiración celular, tanto aerobia como anaerobia, libera energía y dióxido de carbono, contribuyendo al ciclo del carbono y al equilibrio de gases de efecto invernadero.
Evolución celular
En 1665 se publicó en Londres el libro titulado Micrographia que es uno de los libros más importantes sobre ciencia publicado en el siglo xvii. Es Robert Hooke el autor del libro, quien además dibujaba y describía con detalle lo que observaba a través del microscopio de su invención. Remontarse a aquel siglo, sin duda te hará pensar cómo es que se podían conocer esos seres tan diminutos, invisibles para el ojo humano. La creatividad y el entusiasmo de Hooke y su microscopio lo llevaron a identificar muestras de vegetales y animales, la descripción que destaca es la célula como entidad biológica. Este descubrimiento permitió que siguieran las investigaciones para enriquecer el conocimiento microscópico de los seres vivos. Entre las aportaciones más importantes destacan las de los holandeses Anton van Leeuwenhoek y Jan Swammerdam, que describen organismos unicelulares y las contribuciones de Robert Brown que identifica por primera vez el núcleo de las células.
Progresión 1
5
Figura 1.1 Imagen del microscopio usado por Robert Hooke.
Ecosistemas:
Noticias
El microscopio más rápido del mundo
Investigadores alemanes han modificado un microscopio electrónico de tal manera que por primera vez puede captar procesos ultrarrápidos, como la reacción de la materia a la luz. Tomar instantáneas a intervalos de attosegundos (milmillonésimas de milmillonésima de segundo), captura incluso las vibraciones de los campos electromagnéticos en una especie de película. Puede hacer visible la estructura atómica de los sólidos, la de las moléculas o la forma de las nanopartículas. Hasta ahora no había sido posible hacer visibles directamente estos procesos.
El progreso de la técnica microscópica y el tratamiento de los tejidos ha mejorado significativamente la observación a nivel microscópico. En 1838, el científico vegetal Matthias Schleiden propuso que las estructuras fundamentales de las plantas estaban compuestas por células y logró ver algunas estructuras que la conformaban. Al año siguiente, el zoólogo Theodor Schwann estableció un principio similar para los tejidos animales, atribuyendo a las células la condición de unidades elementales con vida propia, cuya reproducción determinaba el crecimiento de los organismos. Las contribuciones de ambos científicos sentaron las bases de la teoría celular, una de las teorías unificadoras más significativas en la historia de la biología y con un gran impacto en la medicina. Se ha afirmado que, a pesar de contribuciones anteriores, los nombres de Schleiden y Schwann están tan estrechamente ligados al concepto de la teoría celular como lo están los de Watson y Crick a la molécula de ADN.
La teoría celular se completó años más tarde con las aportaciones de autores como Robert Remak, Rudolf Virchow y Albert Kölliker, que demostraron que las células se originan siempre a partir de otras preexistentes y las mismas constituyen el último elemento estructural capaz de existencia autónoma al nutrirse, crecer y reproducirse como un minúsculo organismo ya sea que vivan independientemente o asociadas con otros elementos.
La teoría celular es un principio fundamental de la biología y sintetiza los principales descubrimientos en los siguientes postulados:
1. La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, desde los más sencillos (microorganismos) hasta los organismos superiores más complejos como plantas y animales.
2. Todos los seres vivos están compuestos por unidades básicas denominadas células.
3. Las células se originan exclusivamente por división de otras células preexistentes.
4. Las células contienen el material hereditario.
6
interacciones, energía y dinámica
Revolucionando la vida de la humanidad en la medicina
La teoría celular es fundamental en la investigación biomédica y en el desarrollo de terapias basadas en células madre, como las que se están explorando para el tratamiento de una variedad de enfermedades.
Desde un principio, la relación entre la célula y la medicina se unen de manera definitiva. En cuanto a esta interrelación, se pueden identificar tres etapas distintas que se han superpuesto sucesivamente. En una primera etapa, después de proponerse la teoría celular, la célula se comprende como la unidad estructural y funcional fundamental que forma nuestro organismo y constituye nuestros tejidos. A partir de ese momento, el progreso en la comprensión de la célula como sustrato de nuestra corporalidad ha sido notable, y esto se ha visto favorecido por el continuo avance de los instrumentos microscópicos y las técnicas histológicas e histoquímicas.
A finales del siglo xix, se produce una segunda fase al considerarse a la célula como la unidad estructural básica en la que se origina la enfermedad. Rudolf Virchow (1821-1902) es la figura clave que impulsa este avance, al afirmar en su obra Patología celular que la “esencia de la enfermedad” es la célula alterada. Desde entonces, el estudio de una enfermedad implica necesariamente la identificación de las alteraciones celulares y tisulares presentes en las lesiones. Por lo tanto, el gran progreso de la medicina en el siglo xx se debe en gran medida a la capacidad de diagnosticar microscópicamente estas alteraciones.
En la fase que tiene lugar en la actualidad, la célula se considera un agente terapéutico esencial en la medicina regenerativa. Es relevante señalar que, a lo largo de la historia, la medicina ha empleado principalmente cuatro métodos de tratamiento: la palabra, la física, la química y la cirugía, abarcando desde el bisturí más básico hasta el sistema robótico más avanzado. No obstante, en años recientes ha surgido un nuevo enfoque terapéutico al demostrarse que las células y los tejidos que forman tienen capacidad curativa. Esta nueva forma de tratamiento es una innovación en la que la célula desempeña un papel central; un cambio cuyo significado histórico aún no asimilamos respecto a sus alcances y aportaciones al conocimiento.
Noticias
Desde hace muchos años se conocen noticias sobre tratamientos a partir de utilizar células madre, incluso se han intentado curas para diversos padecimientos como la diabetes, mal de Parkinson, regeneración de piel y muchísimas más.
Te invitamos a revisar las siguientes páginas electrónicas para que puedas conocer algunas investigaciones sobre el tema.
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Células autólogas.
Células madre sanguíneas del propio paciente, por ejemplo, las utilizadas para poder regenerar el músculo cardiaco.
Glosario Glosario
Neurodegenerativas.
Enfermedades en las que las células del sistema nervioso central dejan de funcionar o mueren.
La medicina regenerativa es un ámbito multidisciplinario que procura restituir la funcionalidad y la configuración de los tejidos y órganos del cuerpo humano mediante la utilización de principios de la ingeniería y de ciencias de la salud para desarrollar sustitutos biológicos que potencien o sustituyan órganos o tejidos dañados. Este campo emplea diversas metodologías, como la terapia celular, la ingeniería de tejidos y la medicina molecular, y tiene la capacidad de atender una amplia gama de enfermedades y lesiones traumáticas, además de mejorar la calidad de vida de las personas mediante la regeneración y la restauración de los tejidos. Algunos ejemplos de la medicina regenerativa son las células autólogas.
La siguiente tabla considera algunos ejemplos de la medicina regenerativa.
Enfermedades y lesionesDescripción
Enfermedades cardiacas
Enfermedades neurológicas
La medicina regenerativa puede ser utilizada para tratar enfermedades cardiacas, como la isquemia miocárdica y la insuficiencia cardiaca.
Esta disciplina médica puede ser aplicada en el tratamiento de enfermedades neurológicas, como la esclerosis múltiple y de la médula espinal.
Lesiones musculoesqueléticas
Diabetes
Enfermedades neurodegenerativas
Artrosis
La medicina regenerativa puede ser utilizada para tratar lesiones de tejidos blandos, como tendones y ligamentos, así como lesiones del cartílago en las articulaciones.
La medicina regenerativa se utiliza para desarrollar células productoras de insulina para el tratamiento de la diabetes.
La medicina regenerativa busca la regeneración de las células cerebrales dañadas o la producción de células cerebrales sanas para tratar enfermedades neurodegenerativas.
La medicina regenerativa puede ser utilizada para tratar artrosis, que es una enfermedad en la que se deteriora lentamente el cartílago de una articulación. Ejemplo, la artrosis de rodilla.
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En los últimos años, la teoría celular ha avanzado en la comprensión de la complejidad celular y su relación con la salud y la enfermedad. Se han descubierto nuevas funciones celulares, como la comunicación intercelular y la senescencia celular, que han llevado a nuevas terapias y tratamientos. Además, la tecnología ha permitido la creación de células artificiales y la manipulación genética, lo que ha llevado a avances en la medicina regenerativa y la terapia génica. En resumen, la teoría celular sigue siendo fundamental en la biología moderna y continúa evolucionando.
Explorando la complejidad de la célula
El estudio de la biología como ciencia está a la vanguardia, esperamos que te intereses cada vez más por el conocimiento de esta ciencia que sirve mucho a los seres humanos para conocer más sobre el mundo y todos los organismos que se desarrollan en los ecosistemas, desde los más grandes y visibles como los cuerpos celestes hasta el mundo microscópico, no visible en apariencia. La biología proviene de dos vocablos griegos: bios, que significa vida, y logos, que significa estudio o tratado.
El ser humano desde su aparición en la Tierra ha necesitado de otros seres vivos para su subsistencia, esto lo llevó a interesarse cada vez más por conocer acerca de los animales y las plantas, en un principio para poder alimentarse, abrigarse y conseguir un lugar para descansar. Con el paso del tiempo, el ser humano fue descubriendo algunos beneficios o daños tanto de los animales como de las plantas. Estos descubrimientos lo llevaron a observar distintas características de plantas y animales para poder diferenciarlos.
Aristóteles realizó trabajos para estudiar a los seres vivos analizando a más de 500 especies, este filósofo y naturalista consideraba que los seres vivos y las cosas inertes estaban formados por los mismos elementos, la única diferencia radicaba en que aquellos poseían una fuerza especial que les daba vida.
Glosario
Senescencia celular. Las células envejecen, pero no se mueren y dejan de dividirse, lo que provoca que se produzcan sustancias dañinas que perjudican a células vecinas.
Figura 1.2 Aristóteles, realizó una de las primeras clasificaciones de los seres vivos.
9
.
Habilidades
Socioemocionales
Fue uno de los primeros estudiosos en realizar una clasificación de los seres vivos en animales y plantas. Las plantas las clasificó en arbustos, hierbas y árboles, a los animales los dividió en dos grandes grupos; a los primeros los llamó animales sin sangre (anaima) que correspondían a los invertebrados y a los animales con sangre (enaima) referido a los vertebrados.
En México las diferentes culturas prehispánicas se distinguieron por lograr un conocimiento profundo sobre el uso de algunas plantas medicinales, producto de vastas y detalladas observaciones de las especies vegetales en los distintos ecosistemas de nuestro país. En la actualidad, contamos con el conocimiento de los grandes médicos prehispánicos, que los guio a recomendar la Talauma mexicana, conocida como flor de Yoloxóchitl, utilizada en la medicina prehispánica para fortalecer el corazón y preparar tés y cocciones. Además, se usaba en remedios ancestrales para sanar padecimientos emocionales, para ello se preparaba una infusión con la corteza del árbol de esta flor, la cual se utilizaba para sanar el “corazón roto”.
Existen datos muy interesantes acerca de estudios que se llevaron a cabo en los monasterios y jardines botánicos en la Edad Media. Las primeras noticias de la invención de instrumentos que sirven para observar lo que no era visible al ojo humano surgen en el siglo v y se habla sobre las propiedades de los lentes;
Cuida las especies endémicas
En México existen especies que solo puedes encontrar en este territorio, se les llaman endemismos. Te invitamos a participar en brigadas, colectas o simplemente a visitar espacios donde se cuida a estas especies. La conservación de las especies endémicas es un tema de gran importancia y, fomentar valores y actitudes positivas en la juventud puede contribuir significativamente a este propósito. Algunos valores y actitudes relevantes incluyen:
Te invitamos a fomentar entre tus amigas y amigos la conciencia sobre el impacto humano de las acciones que puedes estar realizando todos los días, por ejemplo, el uso de recursos naturales del hábitat de especies endémicas.
Figura 1.3 La flor de oloxóchitl, es una especie nativa de México, su nombre en náhuatl significa flor de corazón
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
pero es solo hasta el siglo xvi cuando los hermanos Hans y Zacarias Jenssen se dan a la tarea de tallar lentes y experimentar con ellos que se logra agrandar las imágenes, por esta razón es que se les atribuye la invención del microscopio compuesto.
Con el paso del tiempo siguieron muchos otros personajes que se dieron a la tarea de diseñar instrumentos para observar no solo los elementos más pequeños sino también los planetas.
Más tarde, con la construcción de un microscopio de una sola lente fue posible observar algunas células del cuerpo, estas aportaciones de Antonie van Leeuwenhoek, permitieron mostrar algunas células como los glóbulos rojos y los espermatozoides, además, fue uno de los primeros en describir y dibujar bacterias y protozoarios.
Los trabajos realizados por estos personajes de la ciencia abrieron un abanico de posibilidades para poder observar y descubrir lo que hay en cada célula de los organismos. En la actualidad, el avance de instrumentos y la tecnología ha hecho posible observar la célula en toda su magnitud y complejidad.
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Habilidades
Socioemocionales
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Las células son los componentes fundamentales de los organismos vivos. Para visualizar la mayoría de ellas, se requiere el empleo de microscopios. Los microscopios de tipo óptico pueden aumentar la magnitud de un objeto en 2000 veces, mientras que los microscopios electrónicos tienen una capacidad aún mayor. Por ejemplo, los microscopios electrónicos de transmisión (TEM) pueden ampliar un objeto hasta un millón de veces, y los microscopios electrónicos de barrido pueden aumentar un objeto 200 mil veces o más. Este tipo de microscopio es muy beneficioso, ya que, a diferencia de los TEM o los microscopios ópticos, genera representaciones tridimensionales realistas de la superficie del objeto.
La biología es una de las ciencias con posibilidades diversas de estudiar a los seres vivos y ayudar en su crecimiento, desarrollo y conservación. Gracias al estudio de esta ciencia es posible conocer a los organismos vivos y las condiciones que se pueden establecer para su supervivencia, por ello es importante que las investigaciones de esta ciencia sean apoyadas con los avances de otras ciencias como la química y la física porque existen interrelaciones que dan origen a otras disciplinas de gran importancia para comprender el desarrollo de los seres vivos como lo es la bioquímica, la biofísica, la biomecánica y la biotecnología entre muchas disciplinas más.
Las actividades cotidianas tienen un gran impacto en el cuidado de las especies endémicas, te recomendamos:
1. Evitar el tráfico de vida silvestre y si sabes dónde está sucediendo es mejor denunciar.
2. Cuando viajes trata de que tu presencia no deje huella, sobre todo si visitas espacios naturales.
3. Participa en acciones de voluntariado en parques o reservas para que puedas contribuir directamente en la protección de especies.
4. Evita adquirir productos elaborados con materiales de especies en peligro de extinción.
5. Disfruta los paisajes que visites y piensa en la vida de las especies que ahí habitan.
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De acuerdo con aspectos particulares, de la biología se desprenden diversas ramas que ayudan a estudiar de forma específica a los seres vivos. Observa la siguiente tabla.
RamaDescripción
Anatomía Estudia la estructura interna de los seres vivos y sus órganos.
Bacteriología Estudia a las bacterias.
Biofísica
usca patrones en los sistemas vivos y los analiza a partir de la física y las matemáticas, ya que los seres vivos están compuestos de materia y energía y su relación es importante para observar los fenómenos que ocurren en ellos.
Biogeografía Estudia la distribución de los seres vivos en la Tierra, observa el lugar y tiempo como características importantes.
Bioquímica Aporta los conocimientos necesarios para conocer la estructura química de los organismos.
Biotecnología Aplica la biología y la tecnología para desarrollar productos y procesos.
Botánica Se encarga del estudio de los organismos vegetales en todas sus formas y complejidades.
Citología Estudia la célula y todo lo relacionado con su estructura.
Ecología Estudia la relación entre los seres vivos y su entorno.
Embriología Estudia el desarrollo embrionario de los organismos.
Etología Estudia el comportamiento de los organismos.
Evolución Estudia el proceso por el cual los organismos cambian con el tiempo y los cambios genéticos.
Fisiología Estudia el funcionamiento de los seres vivos, desde lo que pasa en las células hasta los sistemas de órganos.
Fisiopatología Estudia las patologías y enfermedades que afectan a los seres vivos.
Genética Estudia cómo se transmiten los caracteres hereditarios de generación en generación.
Micología Estudia los hongos.
Morfología Estudia las formas de los organismos.
Paleontología Estudia los fósiles.
Taxonomía Se encarga de la clasificación de los seres vivos en categorías.
Zoología Estudia los animales y sus características.
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Interacciones celulares: comprensión de las redes dinámicas de la vida
La biología celular o citología centra su estudio en las células, las unidades básicas de vida, y su estructura, funciones e interacciones. La célula está constituida de materia, que a su vez está formada de átomos y moléculas que integran compuestos. El estudio de los seres vivos es muy complejo, por lo que se han determinado distintos niveles de organización que hagan posible un estudio minucioso del mundo vivo. Todos los seres vivos estamos constituidos por materia, la materia se define como todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa, así toda materia presenta una estructura química, átomos y moléculas.
El átomo es la unidad fundamental de la materia y la partícula más pequeña de un elemento está compuesto por un núcleo y una corteza, el núcleo está compuesto por protones, con carga positiva, y neutrones, sin carga, por otro lado, la corteza se compone de electrones.
Cuando dos o más átomos se constituyen forman una molécula, en el caso de los seres vivos, las moléculas que los constituyen se llaman biomoléculas, estas pueden ser orgánicas e inorgánicas.
Las orgánicas están formadas por los glúcidos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Las inorgánicas las componen el agua y las sales minerales. A los átomos que componen las biomoléculas se les conoce como bioelementos y existen tres tipos:
1. Primarios: estos bioelementos son el carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N).
2. Secundarios: principalmente formados por azufre (S), fósforo (P), magnesio (Mg), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y cloro (Cl).
3. Oligoelementos: considera el hierro (Fe), boro (B), manganeso (Mn), flúor (F), cobre (Cu), yodo (I), cromo (Cr), selenio (Se), vanadio (V), cobalto (Co), molibdeno (Mo), silicio (Si) y estaño (Sn).
Ecosistemas:
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Figura 1.4 Las moléculas se forman de átomos.
interacciones, energía y dinámica
Desde partículas hasta ecosistemas, las moléculas se organizan en estructuras celulares u organelos como las mitocondrias, el núcleo, la membrana celular, los cloroplastos, el aparato de Golgi. Los organelos se organizan para formar la célula que es la unidad fundamental de los seres vivos. Cada célula posee vida propia, toda vez que realiza funciones vitales como respirar, crecer, reproducirse y alimentarse.
Se les conoce como organismos unicelulares a aquellos formados por una sola célula, mientras que se les llama organismos pluricelulares cuando hay dos o más células juntas. Por lo tanto, las moléculas forman organelos y estos constituyen la célula; observa la imagen donde aparecen las moléculas, organelos y los dos tipos de célula.
La materia orgánica que constituye a las células se denomina protoplasma, que es una suspensión coloidal viscosa formada por compuestos químicos orgánicos e inorgánicos; analiza el siguiente gráfico, en él observarás que los porcentajes son variados, mientras que el agua y las proteínas presentan los porcentajes más elevados.
Las propiedades del protoplasma son la irritabilidad, conductividad, contractilidad, motilidad, metabolismo, crecimiento y reproducción Así, el protoplasma puede reaccionar a un cambio o estímulo generado en el ambiente, la conductividad refiere la transmisión de un efecto de un punto a otro de la célula; la contractilidad y motilidad del protoplasma de algunas células pueden aminorar para desplazarse o reaccionar a un estímulo; el metabolismo está presente en el protoplasma cuando ocurren las distintas reacciones y procesos químicos para la supervivencia, asimismo, el protoplasma tiene la capacidad de reproducirse y crecer.
El agua y las sales minerales son compuestos importantes para la célula. Todos los procesos que ocurren en ella son gracias a la acción del agua que interviene en todas las funciones celulares, asimismo, el agua es indispensable para el proceso fotosintético, en promedio una célula contiene aproximadamente 70% de agua, así, tres cuartas partes del cuerpo humano son agua.
Figura 1.5 Los organelos están formados por moléculas.
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Figura 1.6 La célula es la unidad básica de todo ser vivo.
Glosario
Permeabilidad.
Es la capacidad de algunos materiales para que puedan ser penetrados o traspasados sin alterar su estructura.
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Agua 55 a 70%
Lípidos 14% Proteínas 16%
Compuestos del protoplasma en porcentajes
Los minerales son componentes importantes en la célula. En la célula las sales minerales se presentan en dos formas: en disolución o formando estructuras conocidas como sales estructurales.
Las sales minerales en disolución pueden ser cationes (iones positivos como el sodio [Na+], potasio [K+], calcio [Ca+] y magnesio [Mg+]) o aniones (iones negativos como el cloro [Cl – ], el bicarbonato [CO3 –], el sulfato [SO4 –] y el fosfato [PO4 –]).
Los iones contribuyen al balanceo iónico de los seres vivos, el cual afecta la permeabilidad, la irritabilidad, la contractilidad y la viscosidad celulares.
En los compuestos orgánicos prevalecen elementos que por sus características llegan a formar moléculas muy complejas, a diferencia de los compuestos inorgánicos que están formados por moléculas sencillas. Los organismos tienen gran cantidad de compuestos orgánicos entre los que destacan carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Carbohidratos: conocidos también como hidratos de carbono, nombre que se les otorgó porque se creía que estaban compuestos por moléculas de carbono, sin embargo, el nombre correcto es glúcidos. Los glúcidos están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, su fórmula general es C n(H 2O)n . Son la fuente más importante de energía en las células.
Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos están formados por una sola molécula, que tiene de tres a nueve átomos de carbono, así se les denomina
Carbohidratos 0.6% Sales minerales 4.4%
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de acuerdo con el número de átomos de carbono que poseen, por ejemplo, las triosas tienen tres átomos de carbono y las octosas ocho.
Entre los monosacáridos se encuentran:
La glucosa o dextrosa: la producen las plantas durante la fotosíntesis, es fuente primordial de energía en los seres vivos.
Fructosa: se encuentra en las plantas, principalmente en los frutos.
Galactosa: se encuentra como reserva del tejido nutritivo de las semillas y numerosas gomas vegetales.
Los oligosacáridos son el resultado de la unión de dos a diez moléculas de monosacáridos, se nombran agregando el término sácarido, el prefijo corresponde al número de moléculas unidas en la cadena, por ejemplo: disacárido que se forman cuando se unen dos monosacáridos como sacarosa, maltosa y lactosa.
Sacarosa: se forma de una molécula de glucosa y otra de fructosa, se encuentra en la mayoría de las plantas.
Maltosa: está constituida de dos moléculas de glucosa, se origina de la descomposición del almidón.
Lactosa: se compone de glucosa y galactosa, se le conoce como azúcar de leche.
Los polisacáridos: resultan de la combinación de más de diez monosacáridos, son sustancias de reserva y fuente de oligosacáridos y monosacáridos. Entre los polisacáridos se encuentran:
Almidón: se distribuye ampliamente en las plantas como material de reserva, principalmente en granos, semillas, tubérculos y frutas.
Glucógeno: compuesto de reserva primordial de los tejidos animales.
Celulosa: principal elemento estructural de las plantas.
Ácido hialurónico: elemento estructural en los tejidos conectivos de los vertebrados.
Mujeres y educación ambiental
Helia Bravo Hollis (1901-2001)
Nació en la Ciudad de México, sus padres fueron amantes de la naturaleza y transmitieron ese gusto a Helia. Decidió estudiar biología y fue la primera bióloga titulada en México. Se especializó en estudiar las distintas especies de cactáceas mexicanas. Fundadora de la Sociedad Mexicana de Cactología. Murió el 26 de septiembre de 2001.
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Proteínas: compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno son conocidas también como cuaternarias o nitrogenadas, algunas veces contienen azufre, fósforo y otros elementos. Cuando las moléculas se forman por la unión de 30 aminoácidos se les llama péptidos, cuando rebasan este número se les conoce como proteínas.
Las membranas de todas las células están formadas por proteínas y lípidos. Existe diversidad de organelos celulares que se componen de proteínas como el protoplasma celular que es un sistema coloidal formado por proteínas. Las proteínas realizan distintas funciones: Llevan la actividad enzimática de la célula.
Las nucleoproteínas participan en la reproducción de las células y el traspaso de las características hereditarias.
Las proteínas contráctiles, se alargan y se contraen, convierten la energía de los alimentos en trabajo mecánico.
La mayoría de las hormonas están constituidas por proteínas y otras son sustancias derivadas de aminoácidos.
La hemoglobina es una proteína presente en mamíferos que tiene la capacidad de fijar el oxígeno molecular.
De grandes moléculas que tienen unidades estructurales repetidas están formadas las proteínas. Los aminoácidos unidos covalentemente en largas cadenas son llamados polipéptidos. Aproximadamente existen 70 aminoácidos de los cuales 20 forman las proteínas de los organismos. Observa la siguiente tabla:
Aminoácidos 1Glicina 2Serina 3Triptófano 4Ácido glutámico 5Alanina Aminoácidos 6Metionina 7Glutamina 8Valina 9Treonina 10Cisteína Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica 18
Aminoácidos
11Prolina
12Histidina
13Leucina
14Fenilalanina
15Ácido aspártico
Aminoácidos
16Arginina
17Isoleucina
18Tirosina
19Asparagina
20Lisina
Todos los aminoácidos tienen en común un grupo amino y un grupo carboxilo unidos a un átomo de carbono y difieren en sus cadenas laterales normalmente llamados grupos R.
Lípidos: presentan múltiples características en cuanto a tamaño, forma y composición, tienen en común que son insolubles en agua y solubles en compuestos como el cloroformo y el éter. Son moléculas muy grandes y complejas de cadenas largas de carbono, hidrógeno y oxígeno que constituyen moléculas estructurales en la célula. También se les denomina grasas, son componentes de los alimentos. Su utilidad biológica es múltiple, son un amortiguador físico y un aislante de la temperatura corporal, que son propiedades estructurales importantes para el sostenimiento del metabolismo, son reservas energéticas.
Todas las células contienen lípidos ya que se asocian con las proteínas para formar las membranas que separan los compartimentos de las células y los tejidos. También las grasas se asocian con otras sustancias para formar el colesterol, las hormonas esteroides y las vitaminas liposolubles.
Los lípidos se clasifican en:
Simples: los ésteres de ácidos grasos con diversos alcoholes, grasas neutras o triglicéridos, colesterol y las ceras.
Compuestos: los fosfolípidos, que contienen nitrógeno, fósforo, cefalinas y glucolípidos.
Saponificables: son grasas neutras, los esfingolípidos y las ceras.
Insaponificables: esteroides y los derivados del isoprenoterpenos.
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Ácido fosfórico*
Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Ácidos nucleicos: existen dos tipos en los organismos vivos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (RNA). Ambos ácidos nucleicos son moléculas de gran tamaño que contienen el material genético de los seres vivos, por lo tanto, existen en todas las células de los seres vivos. De acuerdo con el tipo de células que constituyen al organismo, pueden contener uno o ambos ácidos.
Los ácidos nucleicos tienen una función primordial, contienen la clave de los caracteres hereditarios, su función principal es contener y transmitir información genética, desempeñan también funciones estructurales o catalíticas. Son macromoléculas de cadena larga y se les da el nombre de nucleótidos, su estructura es:
una base nitrogenada Azúcar de cinco carbonos (pentosa) +
Existen nucleótidos diferentes debido a que hay dos azúcares: ribosa y desoxirribosa, y dos clases de bases nitrogenadas como las purinas y las pirimidinas.
La adenina y la guanina son bases purinas, la citosina, la timina y el uracilo son bases pirimidinas.
Al existir dos tipos de azúcares se forman dos clases de nucleótidos: con desoxiribosa (desoxirribonucleótidos) y con ribosa (ribonucleótidos). Los polímeros de estos nucleótidos forman dos clases de ácidos nucleicos, el ADN y el ARN.
El ARN contiene dos bases purinas: adenina y guanina, y dos pirimidinas: citosina y uracilo. En el ADN el uracilo es reemplazado por la timina.
La fascinante arquitectura de la vida
No todas las células son idénticas, comparten muchas propiedades similares, pero también presentan variaciones, las cuales están determinadas por el tipo de organismo al que pertenecen. Al analizar la célula, es importante tener en cuenta que se trata de un tipo celular que exhibe las propiedades que son habituales en la mayoría de las células. Las explicaciones sobre la configuración y el funcionamiento de los organelos se basan en un modelo celular.
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En el modelo celular se encuentran dos tipos: la célula procarionte y la célula eucarionte. En la célula eucarionte los modelos son dos, estos corresponden a la célula animal y a la célula vegetal. Aunque el tamaño, la forma y el contenido sean distintos, las células poseen membrana celular y citoplasma.
1 Membrana celular
Una característica común en las células es la existencia de membrana celular que es la envoltura de las células y generalmente esta plegada al interior del protoplasma. Para observar su interior se debe utilizar el microscopio electrónico. La membrana celular es transparente y elástica, está formada por biomoléculas, proteínas y lípidos, estos últimos asociados con fósforo para la formación de fosfolípidos. Es una bicapa lipídica en la cual están insertadas las proteínas. La función de la membrana es aislar el contenido celular del ambiente y asegurar el contacto a este y a la célula. La célula lleva a cabo los intercambios con su medio, recibe materiales para realizar los procesos vitales, elimina las sustancias de desecho y permite la salida de mensajeros químicos como las hormonas.
Este intercambio le permite tener los nutrientes y eliminar desechos, por lo tanto, las funciones primordiales de la membrana son conservar las funciones
1 5 7 6 8 10 2 4 3 4 9
Figura 1.7 Célula humano-animal.
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físicas y químicas del interior de la célula y regular los intercambios de sustancias entre la célula y el medio en que se encuentra.
La membrana celular actúa como una gran puerta de entrada y salida, por un lado, impide el paso de algunas sustancias como las proteínas y los lípidos y al mismo tiempo da el paso a los azúcares simples, oxígeno, agua y dióxido de carbono, por ello se dice que la membrana es permeable en forma selectiva.
2 Citoplasma
El citoplasma es una parte esencial de la célula que se encuentra entre la membrana plasmática y el núcleo. Está compuesto por el citosol, un gel acuoso que contiene iones, moléculas pequeñas y macromoléculas, y por los orgánulos celulares suspendidos en él. Los orgánulos presentes en el citoplasma varían según el tipo de célula, por ejemplo, en las células eucariotas se encuentran las mitocondrias, el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi, entre otros. El citoplasma es el lugar donde ocurren muchas de las funciones celulares, como la síntesis de proteínas, el metabolismo y el transporte de sustancias. Además, el citoplasma es un medio de comunicación de la célula y permite que la célula conserve su forma y brinda elasticidad a la célula.
El citoesqueleto es la estructura en que se mantienen los organelos y las enzimas, además es un sistema complejo tridimensional que se ramifica por todo el citosol. Consta de una red de filamentos que se extiende por el citoplasma a todas las células animales y vegetales.
3 Núcleo
El núcleo en las células eucariontes es una estructura membranosa que contiene la mayor parte del material genético de la célula, organizado en moléculas largas y lineales de ADN con proteínas asociadas, como las histonas. Esta característica es una de las principales diferencias con las células procariotas, ya que en estas últimas el material genético se encuentra disperso en el citoplasma.
El núcleo es el organelo más grande de la célula eucarionte y desempeña un papel fundamental en el control de las actividades celulares y la transmisión de la información genética a las células hijas. El núcleo celular tiene otras estructuras importantes, como el nucléolo, donde se producen y ensamblan los ribosomas, y la envoltura nuclear, que regula el intercambio de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Estas características hacen que el núcleo sea el centro operativo de la
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célula, responsable de la síntesis de ARN, la replicación del ADN y la regulación de la expresión génica.
4 Retículo endoplásmico (liso y rugoso)
El retículo endoplásmico liso (REL) es una estructura celular compuesta por una red de túbulos de membrana interconectados, que se extiende hasta las cisternas del retículo endoplásmico rugoso. A diferencia de este último, carece de ribosomas en sus membranas, lo que le otorga su apariencia “lisa”, y, por lo tanto, la mayoría de las proteínas que contiene son sintetizadas en el retículo endoplásmico rugoso. Es abundante en células dedicadas al metabolismo de lípidos, la desintoxicación y el almacenamiento de calcio. Entre sus funciones se encuentran el transporte celular, la síntesis de lípidos, la depuración mediante enzimas que metabolizan sustancias químicas, y sirve como reservorio de calcio.
5 Aparato de Golgi
Es un conjunto de membranas próximas al núcleo, su función principal es el ensamble de sustancias como lípidos y proteínas, elaboradas en otros organelos, como el retículo endoplásmico y otras regiones citoplasmáticas para transportarlas a la membrana celular, donde se libera hacia el espacio intercelular.
6 Lisosomas
La función de los lisosomas es romper las moléculas grandes como almidones, lípidos y proteínas, en moléculas más pequeñas y en digerir las partículas extrañas que entran en la célula como por ejemplo, bacterias que puedan causar alguna enfermedad.
La forma de los lisosomas aparenta ser una bolsa de canicas y también asemeja a masas circulares oscuras, tiene una membrana limitante que contiene gran cantidad de enzimas hidrolíticas, cuya función es efectuar la digestión.
7 Peroxisomas y glioxisomas
Los peroxisomas contienen enzimas de acción oxidante, su función es degradar ácidos grasos y aminoácidos. La forma que caracteriza a estos peroxisomas es ovoide.
Los glioxisomas son un tipo de peroxisomas especializados que efectúan funciones típicas de peroxisomas y reacciones metabólicas que componen el ciclo del glioxilato.
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Las mitocondrias son estructuras celulares que tienen un rol fundamental en la producción de energía para la célula. Conocidas como las centrales energéticas de la célula, generan la mayor parte de la energía química necesaria para las reacciones bioquímicas a través de la respiración celular, utilizando oxígeno y produciendo adenosín trifosfato (ATP), la principal fuente de energía para la célula. Además de su función en la producción de energía, las mitocondrias también participan en la regulación de los niveles de calcio, la proliferación celular, el envejecimiento y la apoptosis. Dado su papel crucial, las mitocondrias se encuentran en gran cantidad en células con alta demanda energética, como las musculares, cerebrales y hepáticas.
9 Pared celular
La pared celular es una estructura resistente que se encuentra en el exterior de la membrana plasmática en las células de plantas, hongos, algas, bacterias y arqueas. Está compuesta principalmente por celulosa en el caso de las plantas, peptidoglucano en las bacterias, y otros materiales en diferentes organismos. Esta proporciona soporte a la célula, protege su contenido, regula el paso de sustancias y participa en su crecimiento. En las plantas, la pared celular primaria es la capa inicial y flexible que determina la forma y el tamaño de la célula, mientras que la pared secundaria, más rígida, se forma en etapas posteriores. Entre sus funciones se encuentran dar forma a la célula, protegerla, unir las células entre sí para formar tejidos y permitir que las células vegetales vivan en un entorno hipotónico. En resumen, la pared celular es una estructura esencial que brinda soporte y protección a las células vegetales y a otros organismos.
10 Ribosomas
Los ribosomas son estructuras celulares responsables de la síntesis de proteínas en las células. Son pequeños orgánulos que se encuentran en el citoplasma y también pueden estar unidos al retículo endoplasmático rugoso. Los ribosomas reciben instrucciones genéticas del ARN mensajero (ARNm) y utilizan esos mensajes para ensamblar aminoácidos y formar proteínas. En resumen, los ribosomas son los “constructores” de proteínas en las células
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Mitocondria
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Vacuolas
Organelos característicos de las células vegetales, su forma es de sacos con membrana sencilla, pueden almacenar agua y sustancias de reserva como almidones y grasas, sustancias de desecho y sales. Poseen un pH interno ácido y enzimas con actividades hidrolíticas. Las vacuolas pueden enviar su contenido fuera de la célula, mediante el proceso de exocitosis, asimismo pueden transportar sustancias al interior de la célula a través del proceso de endocitosis.
Un organelo importante son los cloroplastos presentes en las células vegetales, debido a la importancia en la fotosíntesis, te invitamos a revisar este contenido en la siguiente progresión.
ACTIVIDAD
Te invitamos a visitar un jardín botánico, un sendero ecológico, un parque ecológico o algún lugar donde puedas encontrar vegetación.
Realiza lo siguiente:
1. Elabora una bitácora donde puedas llevar el seguimiento de tu visita.
2. Anota los datos generales como: nombre y dirección.
3. ¿Qué especies vegetales pudiste ver?
4. ¿Qué importancia ecológica, medicinal, social y cultural tiene el espacio que visitaste?
5. ¿Por qué es importante su conservación?
6. Realiza un escrito de tres cuartillas sobre tu experiencia durante la visita.
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Progreso
Nivel de avanceLogradoEn proceso No logrado
1. ¿Cuáles son los principales organelos celulares y sus funciones?
2. ¿Qué es la membrana celular y cuál es su función?
3. ¿Cuál es la diferencia entre célula animal y célula vegetal?
4. ¿Qué son los bioelementos y cuál es su importancia en los seres vivos?
5. ¿Cuáles son las principales biomoléculas y cuál es su función en los seres vivos?
6. ¿Qué es la biología celular y por qué es importante su estudio?
7. ¿Cuáles son las principales ramas de la biología y en qué se enfocan?
8. ¿Cómo se relaciona la biología celular con las diferentes ramas de la biología?
9. ¿Qué es la botánica y cuál es su importancia en la biología?
10. ¿Qué es la evolución y cuál es su importancia en la biología?
Acércate con otra compañera o compañero para que puedas escribir la respuesta a las siguientes preguntas:
1. ¿Qué opinas sobre el desempeño de tu compañero o compañera?
2. ¿Qué le recomendarías para mejorar su trabajo en clase?
3. ¿Qué opinión le darías sobre sus aportes a la clase? Ecosistemas:
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interacciones, energía y dinámica
Introducción
En esta progresión se abordan temas fundamentales de la biología, como la evolución, la fotosíntesis y la respiración celular. La evolución es el proceso mediante el cual las poblaciones de organismos experimentan cambios a lo largo del tiempo, lo que conduce a la diversidad de la vida en la Tierra. Gracias a la diversidad de especies tenemos en la Tierra una variedad impresionante de ecosistemas. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas transforman la energía solar en energía química, mientras que la respiración celular es el mecanismo por medio del cual las células obtienen energía de moléculas orgánicas. Estos procesos son esenciales para la vida en nuestro planeta y su comprensión es fundamental para entender cómo funcionan los ecosistemas. Esperamos que esto te permita comprender la complejidad de la vida y su relación con el medio ambiente, lo que nos ayuda a valorar y proteger la biodiversidad de nuestro planeta.
ACTIVIDAD
Responde las siguientes preguntas:
1. ¿Cómo podrías explicar la respiración celular?
2. ¿Qué pasaría si las células no pudieran realizar la respiración celular?
3. ¿Cómo se puede demostrar la producción de dióxido de carbono durante la respiración celular?
4. ¿Cómo se puede relacionar la respiración celular con el deporte y la actividad física?
5. ¿Cómo se puede explicar la relación entre la respiración celular y la fotosíntesis en un dibujo o diagrama?
2
Progresión
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ACTIVIDAD
Toma el siguiente reto: busca información sobre los procesos de la respiración celular en plantas y animales. Fomenta tu creatividad y habilidad de comunicación. El desafío es que en equipos logren diversos trabajos: infografía, presentación dinámica en Po erPoint, un video y un organizador cognitivo. Recuerda que el reto principal es la búsqueda de información, la elaboración del trabajo y la presentación al grupo y a tu profesora o profesor.
Los procesos energéticos de la célula
Como recordarás en la progresión anterior comenzamos a revisar las características de algunos organelos que conforman las células, las células vegetales en especial cuentan con un organelo fascinante y que sin él sería imposible la existencia de la vida en el planeta: el cloroplasto.
Cloroplastos
Los cloroplastos son estructuras celulares presentes en las células de las plantas y algunos organismos fotosintéticos. Tienen la función de llevar a cabo la fotosíntesis, un proceso mediante el cual las plantas transforman la energía solar en energía química. Estos orgánulos contienen clorofila, un pigmento verde que absorbe la luz solar y la utiliza para generar energía. Además de la clorofila, los cloroplastos albergan otros pigmentos y enzimas necesarios para la fotosíntesis. Poseen una estructura compleja, con una membrana externa e interna que forma compartimentos llamados tilacoides.
Estos tilacoides se organizan en estructuras denominadas grana, visibles bajo un microscopio electrónico. En resumen, los cloroplastos son fundamentales para la vida de las plantas, ya que les permiten producir su propio alimento a partir de la energía solar. Los cloroplastos son esenciales para la vida de las plantas, esto hace posible que puedan elaborar su propio alimento a partir de la energía solar.
Ecosistemas:
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Figura 1.8 Cloroplastos.
interacciones, energía y dinámica
Fotosíntesis
La fotosíntesis es el procedimiento mediante el cual las plantas, algas y ciertas bacterias emplean la energía solar para transformar el dióxido de carbono y el agua en azúcares y oxígeno. Este proceso es esencial para la vida en el planeta, ya que sustenta la base de la cadena alimentaria y constituye la principal fuente de oxígeno en la atmósfera.
Para comprender esta información, resulta útil visualizar la fotosíntesis como un mecanismo de conversión de energía solar en energía química, la cual se almacena en forma de azúcares. Asimismo, es crucial comprender el rol fundamental de la fotosíntesis en la producción de oxígeno y en el mantenimiento de los ecosistemas.
La fotosíntesis se compone de dos etapas, fase luminosa y fase oscura: Día Noche
Fotosíntesis
Respiración celular Oxígeno O2
• En la fase luminosa, la energía solar se transforma en energía química, generando ATP y NADPH.
• En la fase oscura, el ATP y el NADPH se utilizan para fijar el carbono y producir azúcares. Estas dos etapas colaboran para convertir el dióxido de carbono y el agua en alimento (glucosa) y liberar oxígeno como subproducto.
Figura 1.9 Fases de la fotosíntesis.
Oxígeno O2
Azúcares Azúcares Agua Minerales Dióxido de carbono CO2
Dióxido de carbono CO2
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Para comprender esta información, es útil asociar la fase luminosa con la captura de energía solar y la fase oscura con la producción de azúcares. Es importante entender que ambas etapas son interdependientes y ocurren en diferentes partes del cloroplasto.
La fotosíntesis es vital para la vida en la Tierra, ya que sustenta la producción de alimento y energía en los ecosistemas. Además de proveer alimento para las plantas, es la principal fuente de oxígeno en la atmósfera, permitiendo la respiración aeróbica en los seres vivos. Asimismo, desempeña un papel crucial en la regulación del ciclo del carbono, ayudando a mantener el equilibrio de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Para comprender esta información, es útil reflexionar sobre cómo la fotosíntesis sostiene la vida en la Tierra, desde la producción de alimento hasta la generación de oxígeno, y su papel en la mitigación del cambio climático y la regulación de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera. Consideremos que es fundamental para la productividad primaria de los océanos, ya que es el proceso principal a través del cual los organismos fotoautótrofos, como el fitoplancton, producen compuestos orgánicos utilizando la energía solar. Tanto la fotosíntesis como la quimiosíntesis contribuyen a la productividad primaria de los océanos, pero la fotosíntesis es el proceso dominante en términos de la cantidad de carbono fijado y energía. Los fotoautótrofos, como el fitoplancton, son responsables de la mayor parte de la producción primaria en los océanos, ya que utilizan la luz solar para sintetizar compuestos orgánicos. La fotosíntesis es esencial para la vida marina, la producción de oxígeno y la fijación de carbono, lo que la convierte en un pilar esencial de los ecosistemas oceánicos.
El plancton son un grupo de organismos microscópicos que viven a la deriva en la superficie del agua o bajo la superficie de lagos, ríos, mares y océanos de todo el planeta. Algunos científicos consideran que al menos 50% de la producción del oxígeno de la Tierra procede del océano, y fundamentalmente del fitoplancton. La fotosíntesis es esencial para el fitoplancton, ya que les permite generar su propio alimento y mantener su función crucial en los ecosistemas acuáticos.
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El plancton es una importante fuente de alimento para muchas especies marinas. También desempeña un papel vital en la absorción de dióxido de carbono y la producción de oxígeno en el océano. Existen diferentes tipos de plancton en el mar: el fitoplancton como algunas algas y plantas y el zooplancton que son animales diminutos. Estos organismos son la base de las redes tróficas en los ecosistemas acuáticos y constituyen un indicador clave de su salud. Pequeños peces, crustáceos y zooplancton se alimentan de fitoplancton. Estas criaturas son devoradas por peces más grandes y corales que, a su vez, se convierten en alimento de los principales depredadores oceánicos.
Cuida los océanos
• Los océanos son grandes cuerpos de agua que son el hábitat de miles de especies que incluso hoy no conocemos.
• El cuidado de estos lugares es una tarea y responsabilidad de todos los seres humanos. Algunos valores y actitudes relevantes que debes recordar son:
Apoyo y solidaridad, para apoyar a organizaciones que trabajan haciendo labores de voluntariado, donaciones o difusión de información sobre la vida en los océanos.
Ética ambiental, tus acciones diarias tienen impacto en la vida de los mares, por ejemplo, el uso de plásticos cuyo destino final pueda ser el mar.
Te invitamos a fomentar entre tus amigas y amigos el aprecio por los océanos y la vida marina, esto con el propósito de comprender la importancia de la conservación de los océanos y las especies que habitan ahí.
Respiración celular
La respiración celular es el mecanismo mediante el cual las células obtienen energía de moléculas orgánicas, como la glucosa, a través de una serie de reacciones bioquímicas. Este proceso consta de tres etapas principales: la glucólisis, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Durante la respiración celular, se genera adenosín trifosfato (ATP), la principal fuente de
Habilidades Socioemocionales
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energía utilizada por las células. Es un proceso aerobio que requiere oxígeno y se lleva a cabo en la mitocondria. Como resultado de la oxidación de la glucosa, se produce dióxido de carbono como subproducto. Existen dos tipos de respiración celular: aerobia, que ocurre en presencia de oxígeno, y anaerobia, que ocurre en ausencia de oxígeno. La respiración celular es esencial para la obtención de energía en las células y para la vida de los organismos aeróbicos.
Energía solar
Fotosíntesis
Cloroplasto
CO2 + H2O
Respiración celular
Mitocondria
Respiración aerobia
C6H12O6 + O2
Energía química (ATP)
La respiración celular es un proceso vital que ocurre en las mitocondrias de las células, donde se produce la energía necesaria para las funciones celulares. Las mitocondrias tienen una forma alargada y contienen una membrana externa y un sistema de membranas internas que contienen proteínas, ADN, ARN, ribosomas y otros mecanismos necesarios para la respiración aerobia. En este proceso, se consume oxígeno y se desecha dióxido de carbono y agua. Las mitocondrias son el centro del metabolismo oxidativo de la célula, ya que transforman la materia orgánica en energía química que se almacena en ATP.
Respiración anaerobia
La respiración anaerobia es un proceso bioquímico de oxidaciónreducción en el que se produce una transferencia de electrones.
Figura 1.10 Fotosíntesis y respiración celular: cloroplasto y mitocondria.
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Respiración aerobia
Durante este proceso, los azúcares y otros compuestos orgánicos, así como las moléculas inorgánicas como el hidrógeno, el azufre, el amoniaco, los metales o los iones metálicos, se oxidan y se reducen los aceptores de electrones adecuados, que no son el oxígeno, como los nitratos, nitritos, sulfatos, dióxido de carbono, entre otros.
Durante la respiración anaerobia, los protones atraviesan la membrana mitocondrial, lo que crea un gradiente de concentración temporal que almacena la energía liberada por la reacción química. Posteriormente, esta energía se convierte en ATP mediante la misma enzima utilizada en la respiración aerobia. Este proceso se conoce como respiración celular anaerobia y es llevado a cabo por algunas bacterias y arqueas.
La respiración anaerobia es un proceso que se presenta en organismos procariontes y en muchos organismos eucariontes. En algunos organismos pluricelulares, se pueden dar ambos tipos de respiración, aeróbica o anaeróbica, dependiendo de las condiciones ambientales de la célula. Por ejemplo, las células musculares pueden funcionar en condiciones anaeróbicas mediante la fermentación hasta que el oxígeno llega a las células, momento en el que se realiza la respiración aeróbica.
El catabolismo en condiciones anaeróbicas, es decir, cuando el último aceptor de hidrógenos o electrones no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla, conduce a la realización de fermentaciones, que resultan en la formación de un compuesto
Glosario
Enzima.
Son proteínas complejas que actúan para que se acelere la velocidad de reacción.
Figura 1.11 Respiración aerobia, proceso que ocurre en la mitocondria.
Glucólisis Glucosa Ácido pirúvico Acetil-CoA Energía química Sistema de transporte de electrones Ciclo del ácido cítrico 2 ATP 36 ATP CO2 H2O O2
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Glosario
Piruvato.
Compuesto que se encuentra en la célula, es el producto final de la glucólisis y es clave en la producción de energía.
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orgánico. Durante el catabolismo anaeróbico, la glucosa se degrada para producir energía en forma de ATP, a través de la glucólisis y otras vías metabólicas, sin la participación de oxígeno.
Este proceso implica la conversión de la glucosa en compuestos más simples, como el piruvato, y la posterior producción de ATP y NADH. La fermentación es un ejemplo de una ruta catabólica anaeróbica que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, y que resulta en la generación de productos finales como el etanol o el ácido láctico. De esta manera, el catabolismo en ausencia de oxígeno conduce a la realización de fermentaciones, que son procesos metabólicos que transforman la glucosa en compuestos orgánicos, generando energía en forma de ATP y productos finales específicos.
ACTIVIDAD
Realiza el siguiente experimento.
Consigue una botella vacía de plástico transparente, levadura, azúcar y un globo. Con tus materiales listos, mezcla una cucharada de levadura con dos de azúcar y un poco de agua. Vierte la mezcla en la botella y coloca el globo en la parte superior de la botella. Observa lo que sucede.
Las levaduras son seres vivos unicelulares que carecen de mitocondrias y se ven obligadas a realizar fermentación alcohólica en ausencia de oxígeno. Este proceso les permite obtener energía a partir de la glucosa y producir alcohol etílico y dióxido de carbono como subproductos.
Algunas bacterias lácticas, como Lactobacillus y Streptococcus, son células anaerobias que llevan a cabo la fermentación láctica. Estas bacterias se encuentran en el tracto gastrointestinal humano, en el yogur y en la producción de alimentos fermentados como el chucrut y el kimchi (repollo).
Determinadas células como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligados a fermentar, o las células del tejido muscular de los animales realizan la fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno de las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.
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Las fermentaciones oxidativas que requieren oxígeno son aerobias, pero este no actúa como último aceptor de electrones sino como oxidante del sustrato. La más conocida es la fermentación acética donde se produce vinagre a partir del vino y en el cual el alcohol etílico es oxidado a ácido acético mediante el oxígeno. La respiración celular consta de varias etapas, cada una con su propia importancia en la obtención de energía a partir de la glucosa y otros compuestos orgánicos. A continuación, se describen las principales etapas de la respiración celular:
1. La glucólisis, también conocida como glicólisis, es una ruta metabólica que tiene lugar en el citoplasma de las células y representa el primer paso en el catabolismo de los carbohidratos. Consiste en una secuencia de aproximadamente diez reacciones enzimáticas que transforman una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, generando dióxido de carbono, agua y una cantidad de adenosín trifosfato o trifosfato de adenosina (ATP). Esta vía metabólica es anaeróbica, es decir, no requiere oxígeno para su funcionamiento, y es fundamental para la obtención rápida de energía en las células, siendo la vía inicial del catabolismo de los carbohidratos.
Glucólisis
Glosario
Catabolismo. Proceso básico donde se produce energía necesaria para la actividad de las células.
Glucosa
2. El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, es una ruta metabólica fundamental que ocurre en las células de los seres vivos, incluyendo los humanos. Esta vía es crucial en el metabolismo celular, ya que es una vía central para la producción de energía en forma de adenosín trifosfato (ATP). El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y es importante en la síntesis de precursores
pirúvico
Figura 1.12 Ruta de la glucólisis.
+H +H Ácido
ATP ADP ATP NAD+ NADH NADH NAD+ ADP ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP ATP
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Noticias
Investigación sobre baterías que “respiran”
En la actualidad hay investigaciones que se centran en el desarrollo de baterías de metal-aire, las cuales podrían reemplazar a las baterías de iones de litio debido a su alta capacidad y el uso de materiales sostenibles. Estas baterías respiran de manera similar a las células vivas, utilizando el oxígeno para generar energía. El principal desafío actual es su limitada recargabilidad, lo que ha llevado a la búsqueda de electrocatalizadores eficientes y sostenibles. La investigación se centra en la imitación del ciclo del oxígeno ligado a la respiración celular para fabricar materiales catódicos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.
metabólicos. Además, proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos, por lo que se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo. El ciclo de Krebs está regulado por varios factores, incluyendo la disponibilidad de sustratos metabólicos, la presencia de oxígeno y la actividad de las enzimas que catalizan las reacciones. Por ejemplo, el ciclo de Krebs incluye la producción de energía a partir de la oxidación del acetil-CoA y la síntesis de precursores metabólicos para la producción de biomoléculas.
3. La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que aprovecha la energía liberada por la oxidación de nutrientes para generar adenosín trifosfato (ATP). Esta etapa es esencial en la obtención de energía en las células y constituye la fase final de la respiración celular, posterior a la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Ocurre en la membrana interna de las mitocondrias en células eucariotas, y en la membrana plasmática en procariotas. Durante la fosforilación oxidativa, se transfieren electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH obtenidos en la glucólisis y el ciclo de Krebs al oxígeno molecular, lo que conlleva a la síntesis de ATP. Este proceso es fundamental para la producción de energía en las células y es una forma altamente eficaz de liberación de energía en comparación con los procesos alternativos de fermentación, como la glucólisis anaeróbica.
La cadena respiratoria tiene como función principal transportar electrones y protones a través de la membrana de la cresta
Figura 1.13 Ruta del ciclo de Krebs.
Ciclo de Krebs Célula 4C 2H NAD+ NAD+ NAD+ NADH+H+ NADH+H+ NADH+H+ FAD FADH2 2H 5C 6C Acetil-CoA Respiración celular ATP 2H CO2 CO2 2H
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mitocondrial, generando un gradiente que permite la fosforilación del ADP en los pedúnculos respiratorios. Este proceso se lleva a cabo en las mitocondrias y es esencial para la producción de energía en las células. Los electrones y protones se utilizan para formar agua. La cadena respiratoria es también conocida como cadena de transporte de electrones y es la segunda etapa del proceso de la respiración celular. La cadena respiratoria es fundamental para la producción de energía en las células y para la síntesis de ATP.
Dinámica energética: explorando los flujos de energía
Los procesos de obtención y uso de energía en las células, como la fotosíntesis y la respiración, son parte del flujo de energía entre los seres vivos y su entorno. En el interior de la célula, se llevan a cabo procesos físico-químicos que transforman y utilizan la energía. Durante la fotosíntesis, la clorofila y otros pigmentos capturan la energía solar, convirtiéndola en energía química para la producción de glucosa a partir del dióxido de carbono. Además, en la mayoría de los organismos fotosintéticos, se libera oxígeno como subproducto.
La fotosíntesis y la respiración celular son procesos complementarios que forman parte del flujo de energía en los seres vivos y en su interacción con el entorno. En la fotosíntesis, la energía solar es capturada por la clorofila y otros pigmentos, y se transforma en energía química para la producción de glucosa a partir del dióxido de carbono, liberando oxígeno como subproducto. Por otro lado, en la respiración celular, los organismos heterótrofos utilizan los productos de la fotosíntesis para obtener energía química mediante la degradación de compuestos como la glucosa, en un proceso en el que se emplea el oxígeno.
H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ e–e–e–e–H+ H+ H+ H+ H+ H+ T1 T2 T3 T5 T4 T6 NADH,H+ NAD+ FAD+ ATP Síntesis de ATP ADP + Pi 1/2 O2 H2O FADH2
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Figura 1.14 Ruta de fosforilación oxidativa.
Fosforilación oxidativa
Los seres vivos obtienen la energía de dos maneras distintas. Los autótrofos, como las plantas, capturan la energía solar y la utilizan para producir su propio alimento. Por otro lado, los heterótrofos, como los animales, obtienen la energía de los alimentos que consumen, los cuales pueden provenir de los autótrofos o de otros heterótrofos. Existe un flujo continuo de energía entre los diferentes tipos de organismos y su entorno, lo que sustenta la vida en la Tierra.
Respiración celular en plantas
Las plantas obtienen oxígeno a través de sus hojas, tallos y raíces. El proceso de respiración en las plantas implica la absorción de oxígeno mediante pequeños orificios en las hojas, conocidos como estomas, y la emisión de dióxido de carbono. Esta respiración celular se lleva a cabo en las mitocondrias de las células vegetales. A diferencia de los animales, las plantas no cuentan con un sistema respiratorio especializado, por lo que se basan en la difusión de gases para respirar. Durante la respiración, las plantas emplean los azúcares generados en la fotosíntesis, junto con el oxígeno, para producir la energía necesaria para su crecimiento y desarrollo.
Los estomas son pequeñas aberturas que se encuentran en la superficie de las plantas, principalmente en las hojas y en menor medida en los tallos y otras partes de la planta. Estos poros están rodeados por células guardias especializadas y tienen dos funciones principales. En primer lugar, permiten el intercambio gaseoso, facilitando la entrada de dióxido de carbono y la liberación de oxígeno. En segundo lugar, regulan el movimiento del agua a través de la transpiración.
La mayoría de los seres vivos para poder sobrevivir tienen células, las cuales están organizadas para realizar una función específica, coordinar distintos procesos como crecer, reproducirse, alimentarse y respirar.
Es a través de la historia que conocemos a los primeros organismos que fueron unicelulares o que poseían una sola célula, con capacidad de realizar por sí mismos funciones para su supervivencia. Con el tiempo la evolución dio cuenta de un trabajo más especializado y estos organismos unicelulares crearon colonias y cada una de las células se fue especializando, así algunas se encargaban del alimento, otras de la reproducción, otras de la locomoción y otras de la respiración.
O2 CO2
Figura 1.15 Los estomas generalmente se encuentran en las hojas.
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Ecosistemas: interacciones, energía y dinámica
Las funciones cada vez más específicas de las células hizo posible que sus organelos se modificaran, así las células se volvieron dependientes de otras para poder vivir. La interdependencia entre las células fue tal que empezaron a formarse los primeros organismos pluricelulares.
En estos organismos pluricelulares la comunicación es fundamental y estrecha en las células a través de la membrana celular, así, entre una y otra hay espacios por donde viajan los nutrientes necesarios para vivir. Cada célula especializada y con forma similar se une para establecer tejidos, estos a su vez crean órganos. Por tanto, los aparatos y sistemas son órganos unidos capaces de trabajar en sincronía cada uno por su lado, pero realizan una función especial con el mismo fin, es decir, la sobrevivencia del organismo. Este proceso de los seres vivos se conoce como organización estructural.
Así tanto plantas como animales son organismos pluricelulares que poseen diferentes grados de organización y cada uno tiene células, tejidos, órganos, aparatos y sistemas.
Respiración: un mecanismo para la obtención de energía
La totalidad de los organismos vivos emplean los nutrientes como sustancia fundamental para la edificación y restauración de su estructura corporal; además, los utilizan para generar la energía requerida para llevar a cabo sus actividades vitales. La respiración, en combinación con la nutrición, posibilita la obtención de la energía necesaria para el funcionamiento del organismo. Esta conjunción de procesos permite la obtención de la energía necesaria para el correcto funcionamiento del cuerpo.
La respiración se define como el proceso de intercambio de gases entre un organismo y su entorno, pero a nivel celular, la respiración se refiere a un conjunto de reacciones químicas en las que los nutrientes se descomponen con la ayuda del oxígeno para producir energía.
En otras palabras, la respiración celular es un proceso metabólico que implica la oxidación de nutrientes para obtener energía, principalmente en forma de ATP. La respiración celular es un proceso bioquímico que se lleva a cabo en las células y que implica la degradación de compuestos orgánicos para producir energía. Este proceso es esencial para la supervivencia de los organismos vivos, ya que les permite obtener la energía necesaria para llevar a cabo sus funciones vitales.
Noticias
Las investigaciones sobre la célula son cada vez más profundas, esto debido al avance de la tecnología y las herramientas que se utilizan para su observación.
El mundo de la célula es realmente fabuloso, te invitamos a conocer más sobre el tema de esta progresión observando el siguiente video elaborado por National Geographic.
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Proceso de respiración de los humanosProceso de respiración de las plantas
Sistema respiratorio de un pez
Dirección del agua Inhale Exhale
Arco branquial
Vasos sanguíneos
Corazón
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CO2 H2O O2
C6H12O6
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