Secuencia didáctica 1.
Energía y metabolismo celular.
€ŽDesarrollo

La energía y los seres vivos.

La vida en la Tierra, depende del flujo de energía. Este flujo comienza en el Sol, principal fuente energética del planeta, menos del 1% de esta energía impulsa las actividades que desarrollan las células de que están formados los seres vivos.
Un sistema cerrado no intercambia energía o materia con sus alrededores, uno abierto tiene la capacidad de intercambiar materia y energía con sus alrededores.
Las células son sistemas abiertos ya que mantienen un intercambio permanente de materia y energía con el medio ambiente, proceso en el cual es determinante la acción de las membranas celulares. Todos los seres vivos requieren energía porque los procesos biológicos implican la realización de trabajo.

La energía puede definirse como la capacidad de realizar trabajo, lo cual incluye sintetizar moléculas, mover objetos y generar calor o luz. Gran parte de las actividades que un organismo realiza constituyen trabajo mecánico. Al leer se está consumiendo energía, en la respiración y circulación. Todas estas formas de trabajo mecánico son la consecuencia de actividades celulares.
Dado que la energía no se crea ni se destruye (primera ley de la termodinámica), las células no tienen forma de producir nueva energía, ésta es capturada del ambiente, se almacena temporalmente y después se utiliza para realizar trabajo biológico.
Hay dos tipos de energía: cinética y potencial. La energía cinética o energía de movimiento, incluyela luz (movimiento de fotones), el calor (movimiento de moléculas), la electricidad (movimiento de partículas con carga eléctrica) y el movimiento de objetos grandes.
La energía potencial o energía almacenada, incluye la energía química contenida en los enlaces que mantienen a los átomos unidos en las moléculas, la energía eléctrica almacenada en una batería y la energía de posición almacenada en un clavadista que está a punto de lanzarse.
La energía cinética se puede transformar en energía potencial y viceversa. Por ejemplo, el clavadista convierte la energía cinética de movimiento en energía potencial de posición, cuando sube a la plataforma; cuando se lanza al agua la energía potencial se convierte otra vez en energía cinética.
En cada transformación energética, parte de la energía se convierte en calor que pasa a los alrededores, más fríos. Esta energía nunca podrá usarla de nuevo ningún organismo para realizar trabajo biológico; desde el punto de vista biológico se dice que se pierde. Sin embargo, desde el punto de vista termodinámico en realidad no ha desaparecido, porque todavía existe en los alrededores. Por ejemplo, al caminar o correr se destruye la energía química que alguna vez estuvo presente en las moléculas del alimento; una vez que se ha realizado la tarea de caminar o correr, la energía aún existe en los alrededores en forma de calor.

Transformaciones de energía en los organismos.
El sol es la fuente fundamental de casi toda la energía que sustenta la vida, y ésta se origina de la energía nuclear porlas reacciones ocurridas en el sol. Las plantas y otros organismos fotosintéticos la convierten en energía química en forma de moléculas orgánicas almacenadas en semillas y hojas, luego se transfiere a los animales cuando éstos se alimentan. Los organismos necesitan la energía almacenada en estas moléculas orgánicas, y por lo común, llevan a cabo la respiración celular para desdoblarlas y convertir su energía en formas que puedan utilizarse para el crecimiento, contracción del músculo, transporte de compuestos y líquidos, y para otras funciones del organismo.


Metabolismo celular.
Metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas en los seres vivos; ocurren en las células para la obtención e intercambio de materia y energía con el medio ambiente, y síntesis de macromoléculas, a partir de compuestos sencillos con el objetivo de mantener los procesos vitales. Estas reacciones están catalizadas por enzimas específicas. Todas las células poseen actividad metabólica, que implica absorción, transformación y eliminación de sustancias. Esto les permite cumplir funciones como las de crecimiento y reproducción, y dar respuesta a los estímulos que reciban. Si el metabolismo se detiene sobreviene la muerte. La alteración del metabolismo ocasiona perdida del estado de salud. Ejemplo la diabetes, por las alteraciones en el metabolismo de los carbohidratos.
En una célula ocurren miles de reacciones químicas y su variedad es enorme; integran una red coordinada de transformaciones que presentan muchos aspectos en común.
Elmetabolismo tiene principalmente dos finalidades
Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosina trifosfato). Se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.
La otra finalidad es fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes que serán utilizados para crear sus estructuras o para almacenarlos como reserva.
La gran cantidad de reacciones metabólicas se realizan en el citosol o en el interior de los organelos. Éstas no son independientes, sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguiente, una ruta o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente. En una ruta un sustrato inicial (reactivo) se transforma mediante distintas reacciones en producto de dicha ruta; los compuestos intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Cada una de las reacciones de una ruta metabólica está controlada por una enzima específica (Enzima 1, E 1…E 4).

A+B+C=D D+E+F=G

Las reacciones anteriores están ligadas por un intermediario común, en este caso el componente D. El único camino mediante el cual la energía química puede ser transferida desde una reacción a otra en condiciones isotérmicas es el de que ambas reacciones posean un intermediario de reacción común. Casi todas lasreacciones metabólicas de la célula se realizan mediante secuencias de esta clase.
Todas las vías metabólicas están interconectadas y muchas no tienen sentido aisladamente.
Las rutas pueden ser degradativas o de síntesis, es decir: rutas catabólicas o anabólicas respectivamente y rutas mixtas o anfibólicas (amphi, ambos) si son catabólicas y anabólicas.
Las reacciones catabólicas o fase destructiva se caracterizan por ser reacciones degradativas. Aquí compuestos complejos se transforman en otros más sencillos. Son reacciones oxidativas ya que se oxidan los compuestos orgánicos; son procesos convergentes porque a partir de compuestos diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO2, acido pirúvico, etanol, etc.), son reacciones exotérmicas. liberándose electrones, ejemplo:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ATP
(Glucosa) (Oxígeno) (Bióxido de carbono) (Agua) Trifosfato de adenosina

El anabolismo o fase constructiva es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales, a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos), se sintetizan moléculas más complejas. Estas reacciones crean nuevos enlaces por lo que se requiere aporte de energía. Las moléculas sintetizadas las utilizan las células para formar sus componentes y así poder crecer y renovarse, o son almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.
Estas reacciones se caracterizan por lo siguiente: son de síntesis; a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos; son de reducción, donde compuestosoxidados se reducen; para ello se necesitan electrones. Requieren un aporte de energía. Son procesos divergentes, ya que a partir de pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.
Las reacciones metabólicas de los seres vivos son reacciones de oxidación y reducción o reacciones de oxidoreducción o también llamadas reacciones redox. La oxidación consiste en la pérdida de electrones y la reducción en la ganancia de electrones.
Para que un compuesto se oxide es necesario que otro se reduzca, es decir, la oxidación de un compuesto siempre va acoplada a la reducción de otro.
Frecuentemente la pérdida o ganancia de electrones va acompañada de la pérdida o ganancia de iones hidrógeno (H+); de forma que el efecto neto es la pérdida o ganancia de hidrógeno puesto que: e– + H+ H.
Por consiguiente, las oxidaciones son deshidrogenaciones y las reducciones son hidrogenaciones; la mayoría de las oxidaciones y reducciones biológicas son de este tipo. Las oxidaciones también se denominan combustiones, y en ellas se desprende energía, mientras que en las reducciones se requiere un aporte energético. Los procesos de oxido-reducción tienen gran importancia en el metabolismo, porque muchas de las reacciones del catabolismo son oxidaciones en las que se liberan electrones; mientras que muchas de las reacciones anabólicas son reducciones en las que se requieren electrones.
Los electrones son transportados desde las reacciones catabólicas de oxidación en las que se liberan, hasta las reacciones anabólicas de reducciónen las que se necesitan. Este transporte lo realizan principalmente tres moléculas: NAD+ (nicotidamina dinucleótido), NADP (nicotidamina dinucleótido), FAD (flavina adenina dinucleótido); éstas no se gastan, ya que solo actúan como intermediarios. Cuando captan los electrones se reducen y al cederlos se oxidan regenerándose de nuevo.

Intercambios de energía en el metabolismo.
La bioenergética es el estudio de los cambios de energía que acompañan a los procesos biológicos, relación que ayuda a entender las complejidades del metabolismo, proceso global a través del cual los seres vivos adquieren y utilizan energía libre para realizar sus diferentes funciones.
Procesos como la síntesis de componentes celulares, el transporte de sustancias a través de la membrana contra gradientes de concentración, la contracción muscular, el movimiento de cilios y flagelos y muchas otras funciones más, sólo pueden llevarse a cabo si se suministra la energía necesaria. Los sistemas no biológicos pueden utilizar la energía calorífica para realizar trabajo, pero los sistemas biológicos son esencialmente isotérmicos y emplean la energía química para impulsar los procesos vitales.

Existen dos grandes conjuntos de reacciones metabólicas: aquéllas cuya finalidad es la obtención de energía útil para la célula a partir de los nutrientes (consumidos en los alimentos) o catabolismo, y las que servirán a la célula para fabricar moléculas propias o anabolismo.
Este mecanismo se basa en la creación y destrucción de enlaces químicos de alta energíaen los que se acumula (cuando se forman) y se libera (cuando se rompen) gran cantidad de energía. En las reacciones acopladas que se llevan a cabo dentro de las células, la energía por lo regular se transfiere de un lugar a otro mediante moléculas portadoras de energía, de las cuales la más común es el ATP. Pero no es una molécula para almacenar energía a largo plazo; es un nucleótido formado por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y tres grupos fosfatos.
Cuando el ATP se acopla a alguna reacción endotérmica, libera un grupo fosfato con lo que se desprende energía y se convierte entonces en adenosín difosfato (ADP). Para que vuelva a ser utilizado en otra reacción apareada, es necesario que el grupo fosfato se le vuelva a unir. El proceso para restituir al ATP se puede llevar a cabo mediante la respiración celular.
Al hidrolizarse el ATP se rompe el último enlace éster, formándose ADP y liberándose una molécula de fosfato inorgánico (desfosforilación) y energía.
La molécula de ATP tiene un tiempo de vida muy corto ya que constantemente se está descomponiendo en ADP y fosfato, y al mismo tiempo se vuelve a formar. El ATP es el lazo químico entre las reacciones que liberan energía y las que la consumen.

Función de las enzimas en los procesos biológicos.

Los principios de la termodinámica ayudan a predecir si una reacción puede ocurrir o no, pero no indican nada acerca de la velocidad de esa reacción. Las células no pueden esperar mucho tiempo para que las moléculas de nutrientes se desdoblen en formaespontánea; regulan las reacciones químicas mediante enzimas, proteínas que facilitan y agilizan la mayoría de las reacciones que suceden en una célula, es decir, son catalizadores. Su función consiste en reducir la cantidad de energía de activación necesaria para que inicie la reacción. Si estas proteínas no están presentes, las reacciones suceden muy lentamente o no se presentan. Las enzimas se unen a un sustrato (sustancia que inicia en la reacción) que es específico, es decir, cada enzima tiene una sustancia (sustrato) a la que se une y no a otra; después de la reacción quedan los productos que pueden unirse a otra enzima y continuar modificándose. Todas las enzimas que una célula produce determinan su funcionamiento.
Durante la reacción las enzimas no se modifican ni se consumen. Cada enzima ha evolucionado de forma que funcione óptimamente a un pH, concentración de sales y temperatura dadas. Algunas también requieren, para su funcionamiento, la presencia de otras moléculas llamadas coenzimas.
Casi todas las enzimas funcionan óptimamente a un pH entre 6 y 8, nivel que prevalece en la mayor parte de los fluidos corporales. La temperatura también afecta a la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Cuando las moléculas se mueven con mayor rapidez debido a altas temperaturas, sus movimientos aleatorios las hacen entrar en contacto. Si las temperaturas se elevan demasiado, los puentes de hidrógeno de las enzimas pueden romperse, a causa del excesivo movimiento molecular. En resumen, la capacidad de una enzimapara catalizar reacciones es controlada por: cantidad de enzima activa, niveles de moléculas reguladoras, concentración de moléculas inhibidoras, concentración de sustrato, pH, temperatura, ambiente iónico, y en algunos casos la presencia de las coenzimas.
Existen muchas enzimas, pero en general se clasifican en
Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción. Las reacciones redox se consideran como transferencia de hidrógeno de un sustrato que se oxida a un aceptor que se reduce.
Transferasas: pasan un grupo activo de una sustancia a otra, transfieren grupos de un compuesto donador a un compuesto aceptor.
Hidrolasas: rompen sustancias formadas por varios tipos de moléculas y dejan las sustancias pequeñas solas.
Isomerasas: cambian un poco la conformación de las moléculas, catalizan cambios geométricos o estructurales dentro de una molécula.
Liasas: rompen o hacen enlaces fuertes que no están en moléculas de mucha energía, rompen uniones C-O, C-N, C-C, dejando dobles ligaduras o añadiendo grupos a dobles ligaduras.
Ligasas: unen una o varias moléculas por medio de un nuevo enlace químico, catalizan la unión de dos o más moléculas acopladas a la hidrólisis, con frecuencia la unión formada es de alta energía.





Secuencia didáctica 2.
Nutrición celular.

Nutrición; conjunto de procesos mediante los cuales las células adquieren y transforman materia y energía del exterior. Comprende el intercambio de sustancias a través de la membrana, las transformaciones químicas de las moléculas y la excreción delos productos de desecho de la célula. Estos procesos permiten reparar o construir nuevas estructuras y obtener energía para realizar todas las actividades de la célula. Es el proceso biológico en el que los organismos asimilan y utilizan los alimentos para el funcionamiento, crecimiento y el mantenimiento de las funciones normales.
La nutrición también es el estudio de la relación entre los alimentos con la salud, especialmente en la determinación de una dieta óptima. Aunque alimentación y nutrición se utilizan frecuentemente como sinónimos, son términos diferentes ya que la nutrición hace referencia a los nutrientes y comprende la digestión, absorción o paso a la sangre desde el tubo digestivo de sus componentes o nutrientes, su metabolismo o transformaciones químicas en las células y excreción o eliminación del organismo.
Los organismos han desarrollado, a través de la evolución, diversas formas para obtener sus nutrientes, indispensables para obtener la energía que les permite mantener sus procesos vitales.
Existen dos mecanismos básicos de nutrición en los seres vivos: autótrofa y heterótrofa, de acuerdo a la manera con la que el organismo obtiene sus nutrientes. Los organismos heterótrofos dependen, de los autótrofos; necesitan alimentarse directamente de ellos o de otros seres que se alimentan de los autótrofos.
Toda la energía de que disponen los seres vivos (autótrofos y heterótrofos) ha sido incorporada por organismos autótrofos, ya que estos son los únicos que pueden captar energía libre del medio.

Enlos organismos unicelulares y pluricelulares de organización sencilla, las células están en contacto con el medio, de donde toman directamente los nutrientes (oxígeno, agua, sustancias disueltas y sólidos) al que también vierten directamente las sustancias no asimiladas en la digestión. Individuos de organización más compleja necesitan órganos, aparatos o sistemas para las funciones relacionadas con la nutrición: digestión (aparato digestivo); captación de oxígeno (aparato respiratorio); eliminación de productos de desecho (órganos y aparatos excretores) y transporte de los nutrientes y productos de desecho (sistema circulatorio).

Nutrición autótrofa.
Los autótrofos son capaces de realizar la fijación de carbono; emplean CO2 como fuente de dicho elemento. La energía puede provenir de nutrimentos químicos (quimioautótrofos) o de la luz (fotoautótrofos).
Algunos organismos autótrofos no requieren de la luz solar, sino que utilizan como fuente de energía a ciertas sustancias químicas a las que oxidan; por eso se llaman quimiosintéticos; ejemplo las bacterias sulfurosas de las termales y las bacterias nitrificantes en las raíces de las leguminosas, como frijol, chícharo o alfalfa que hacen accesible el nitrógeno del suelo para las plantas para favorecer su desarrollo; éste es un proceso muy importante para el enriquecimiento de los suelos de cultivo.
La Quimiosíntesis es la producción biológica de materia orgánica a partir de de moléculas inorgánicas como por ejemplo el ácido sulfhídrico (H2S) o el hidrógeno gaseoso oel metano como fuente de energía, sin contar con la luz solar, a diferencia de la fotosíntesis.
En la quimiosíntesis al igual que en la fotosíntesis se pueden observar dos fases, en la primera se obtiene ATP y NADPH; y en la segunda esas sustancias se utilizan para sintetizar compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas.
Los fotoautótrofos (autótrofos fotosintéticos) usan luz como principal fuente de energía; incluyen a las plantas verdes, algas y algunas bacterias. Éstas deben romper moléculas de carbohidratos, especialmente la glucosa, para formar ATP. Sin embargo, no toman estos azúcares como comida, sino que ellos mismos los fabrican; atrapan energía para fabricar carbohidratos en un proceso llamado fotosíntesis. La luz del sol es la fuente de energía natural para la fotosíntesis.

Fotosíntesis: captación de energía luminosa
Los organismos fotosintéticos atrapan luz solar formando ATP y NADPH, que utilizan como fuente de energía para fabricar glúcidos, otros componentes orgánicos y oxígeno a partir de CO2 y H2O. Los heterótrofos aeróbicos usan el O2 para degradar los productos orgánicos ricos en energía producidos en la fotosíntesis, generando ATP para sus propias actividades y CO2 que regresa a la atmósfera para volver a ser utilizado por los organismos fotosintéticos. De este modo la energía solar proporciona la fuerza motriz para la ciclación continua del CO2 y O2 atmosféricos. A todo este proceso se le conoce como fotosíntesis. Antes de los organismos fotosintéticos surgieran la atmósfera terrestrecarecía de oxígeno libre y de capa de ozono. Fueron los procesos fotosintéticos los que comenzaron a modificar la atmósfera.
La mayor parte de los organismos fotosintéticos se encuentran en el océano y son las algas microscópicas las que llevan a cabo alrededor del 70% de la fotosíntesis de la Tierra. Además del alimento para iniciar las cadenas tróficas, en el proceso fotosintético se absorbe bióxido de carbono, con lo que se purifica la atmósfera.
La ecuación global de la fotosíntesis describe una reacción de óxido-reducción en la que el H2O provee el hidrógeno necesario para la reducción del CO2 a glúcidos (CH2O), con liberación de oxígeno molecular:

6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2

La fotosíntesis abarca dos procesos: las reacciones luminosas (etapa clara), que sólo tienen lugar cuando se iluminan las plantas, y las reacciones de fijación de carbono (Ciclo de Calvin), mal llamadas reacciones oscuras (etapa oscura), ya que tienen lugar tanto en la luz como en la oscuridad; sería más correcto denominarlas reacciones fotoindependientes. Las reacciones luminosas son reacciones en que la luz se convierte en energía química; las moléculas de agua se desintegran y quedan disponibles los hidrógenos y la energía para seguir con el ciclo de Calvin; además, el oxigeno del agua se libera.
El ciclo de Calvin es la serie de reacciones por medio de las cuales se forman azúcares sencillos mediante la utilización de dióxido de carbono y del hidrógeno del agua.
La fotosíntesis se inicia cuando las moléculas de clorofilaatrapan la luz solar. La clorofila se encuentra en los cloroplastos de las plantas verdes, en las algas y en las membranas del citoplasma de las bacterias fotosintéticas. El cloroplasto tiene una región llena de líquido; el estroma, que contiene enzimas necesarias para producir carbohidratos. Suspendido en el estroma está un conjunto de sacos aplanados en forma de disco, llamados tilacoides. Dentro de estas membranas la luz del sol queda atrapada por la clorofila.
Algunas plantas son verde oscuro, otras son más claras, las hay incluso amarillas, rojizas o pardas. Esto se debe a la diversidad de pigmentos y a la proporción en que se encuentran en cada una. Los pigmentos fotosintéticos la clorofila (verdes), los carotenos (rojos o naranjas) las xantofilas (amarillas), la ficocianina (azul) y la ficoeritrina (roja) presente en algunas algas y la bacterioclorofila, que está en bacterias fotosintéticas.
Hay varios tipos de clorofila: la tipo a y la b; la más importante es la clorofila a, pigmento que inicia las reacciones fotodependientes. La clorofila b es un pigmento accesorio, que también participa en la fotosíntesis.

Fase independiente de la luz o fase oscura
Los ingredientes para elaborar una molécula de azúcar ya están listos y se llevan a cabo varias reacciones cíclicas conocidas como Ciclo de Calvin, en honor a su descubridor. Para que esta etapa de la fotosíntesis se lleve a cabo requiere de tres reactivos
1. ATP, producido en la etapa luminosa.
2. NADPH, producido en la fase luminosa.
3. CO2, que la planta absorbedel aire.
Esta fase ocurre en el estroma. El ATP y el NADPH formados durante la reacción luminosa, son utilizados junto con CO2 para formar glucosa. El dióxido de carbono penetra en la planta a través de los estomas que se encuentran en el envés de las hojas; aberturas por las cuales se establece el intercambio gaseoso en los vegetales.

Nutrición heterótrofa.
Los heterótrofos no pueden fijar carbono; utilizan moléculas orgánicas preformadas (producidas por otros organismos) como fuente de este elemento. Los organismos que presentan nutrición heterótrofa no son capaces de captar la energía libre ni de sintetizar materia orgánica a expensas de sustancias minerales, por lo que necesitan tomar materia orgánica, de la que obtienen tanto la materia necesaria para la elaboración de sus principios inmediatos, como la energía necesaria para su actividad vital. Son heterótrofos todos los animales, los vegetales sin clorofila y la mayoría de las bacterias; en función de sus modalidades de nutrición se clasifican: holozoicos, saprofitos y parásitos. Los holozoicos se alimentan de material orgánico que ingieren, digieren y luego absorben; necesitan incorporar sustancias inorgánicas como el agua, las sales minerales y el oxígeno.
Comprenden de manera principal a los animales con sistemas digestivos.
Los saprófitos se alimentan de cualquier cosa no viva que contenga material orgánico como restos de cuerpos vegetales, animales o sus desechos. A este grupo pertenecen los hongos y algunas bacterias.
Los parásitos que viven sobre odentro de otro ser vivo y absorben el material orgánico directo de sus tejidos. Algunos hongos y lombrices intestinales corresponden a este grupo. En muchos casos, los parásitos dañan o causan enfermedades al organismo hospedante. Parásitos como los piojos, que habitan sobre la superficie del que los hospeda, se llaman ectoparásitos y los que viven en el interior, como las lombrices intestinales, son los endoparásitos.
Los organismos heterótrofos dependen para su nutrición de los seres autótrofos; necesitan alimentarse directamente de ellos o de otros seres que se alimentan de los autótrofos.
Todo organismo debe extraer energía de las moléculas orgánicas de alimento que él mismo manufacture por fotosíntesis o tome del ambiente. Durante la digestión, las proteínas son descompuestas en los aminoácidos que las componen, los carbohidratos son desdoblados a azúcares simples, y las grasas se rompen en glicerol y ácidos grasos. Estos nutrimentos son absorbidos y transportados a todas las células. Cada célula convierte la energía de los enlaces químicos de los nutrimentos en energía del ATP por un proceso denominado respiración celular.
La respiración celular puede ser aerobia o anaerobia. La respiración aerobia requiere oxígeno molecular (O2), en tanto que las vías anaerobias, entre las que se incluyen la respiración anaerobia y la fermentación, no necesitan oxígeno. Todo tipo de respiración es un proceso exotérmico y libera energía libre.

Respiración aerobia.

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