CAPÍTULO 6 / REVISIÓN

Los seres vivos y la célula | ¿qué aprendimos?

TEORÍA CELULAR Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS

Se consideran seres vivos todos aquellos organismos que están hechos de células, que son las unidades de la vida. Existen dos tipos de células: las procariotas y las eucariotas. La teoría celular describe las células y cómo funcionan. Es considerada uno de los principios básicos de la biología, el crédito de la misma se lo llevan los grandes científicos Theodor Schwann, Matthias Schleiden y Rudolph Virchow, aunque ningún avance se hubiera logrado si no fuera por los trabajos de Robert Hooke. Todas las funciones de los seres vivos dependen de las células: el movimiento, la reproducción, el crecimiento, la sensibilidad, la respiración, la excreción y la nutrición.

Robert Hooke acuño el término “célula” al examinar la estructura porosa del corcho y observar pequeñas celdillas.

LA CÉLULA: UNIDAD ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL

La célula puede definirse como la unidad fundamental de los organismos vivos capaz de reproducirse independientemente. Cada célula está contenida dentro de una membrana puntuada con puertas, canales y bombas especiales. Estos dispositivos permiten la entrada o la salida de moléculas seleccionadas mediante dos mecanismos principales: transporte pasivo y transporte activo. Protegido por la membrana se encuentra el citosol, el cual a su vez está compuesto por el citoesqueleto, una red de estructuras proteicas filamentosas. Finalmente, uno de los organelos más importantes de la célula, y el que se encarga de que se cumplan las funciones vitales y de resguardar el ADN, es el núcleo, presente únicamente en las células eucariotas.

En el núcleo de cada célula, la molécula de ADN se empaqueta en estructuras parecidas a hilos llamadas cromosomas.

CÉLULA ANIMAL VS CÉLULA VEGETAL

De los dos tipos de célula que existen, la más desarrollada es la eucariota. Las células eucariotas se pueden clasificar en dos tipos: la célula vegetal y la célula animal. Ambos tipos de célula comparten organelos como la membrana plasmática, el núcleo, el citoplasma, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, las mitocondrias y las vacuolas. Por otro lado, se diferencian en organelos como los lisosomas, la pared celular, los cloroplastos y los centriolos. La teoría endosimbiótica propone que los cloroplastos fueron una vez células procariotas que vivían dentro de células huéspedes y que quedaron atrapadas dentro de ellas. Por un lado, recibían protección y, por otro lado, ellos proporcionaban nutrientes, y así, con el paso del tiempo, se formaron las células eucariotas.

Una de las diferencias entre la célula animal y la vegetal es que esta última posee una pared celular que le da soporte.

NUTRICIÓN Y RESPIRACIÓN CELULAR

Se conoce como respiración al conjunto de reacciones bioquímicas mediante las cuales la energía es liberada a partir de sustancias alimenticias, como por ejemplo, la glucosa. La respiración celular se lleva a cabo a través de 3 procesos: glucólisis, mediante el cual es extraída la energía de la glucosa; ciclo de Krebs, mecanismo mediante el cual las células vivas descomponen moléculas de combustible orgánico en presencia de oxígeno para recoger la energía que necesitan para crecer y dividirse; y finalmente la cadena transportadora de electrones, la ruta final de la respiración aerobia y la única parte del metabolismo de la glucosa donde se utiliza el oxígeno atmosférico.

El adenosín trifosfato o ATP es una molécula transportadora energía y se encuentra en las células de todos los seres vivos.

FUNCIONES CELULARES DE REPRODUCCIÓN Y RELACIÓN

El mecanismo de reproducción celular más difundido es la mitosis. Es un proceso de división celular mediante el cual una célula se divide y da origen a dos células hijas genéticamente idénticas a ella. Se compone por las siguientes fases: profase, metafase, anafase y telofase. Por otro lado, la meiosis es la forma especializada de división celular que se produce en las células sexuales, por ejemplo: las esporas de plantas, los espermatozoides y los óvulos. Se compone de las siguientes fases: meiosis I y meiosis II, cada una con profase, metafase, anafase y telofase. Además de los procesos de mitosis y meiosis, para que se separen físicamente las células ocurre la citocinesis.

El ciclo celular es un conjunto ordenado de sucesos que pueden producir crecimiento y división en células hijas.

PRODUCCIÓN CELULAR

Las proteínas están presentes en los seres vivos y son las responsables de construir estructuras biológicas y realizar variadas funciones indispensables para el desarrollo de los organismos. El ADN determina el orden de los aminoácidos en la formación de proteínas. La síntesis de proteínas tiene como finalidad permitir al organismo formar aquellas macromoléculas que se necesitan para llevar a cabo sus funciones. La síntesis de proteínas en las células consta de dos etapas: la transcripción y la traducción. Por un lado, la transcripción es el proceso mediante el cual la información contenida en el ADN es copiada en forma de ARN mensajero (ARNm). En la traducción, el ARNm sale del núcleo y se mueve hacia los ribosomas, donde se produce la síntesis de proteínas.

Los ribosomas son los organelos encargados de fabricar proteínas, pueden encontrarse libres en el citoplasma o unidos al retículo endoplasmático rugoso.

CAPÍTULO 6 / TEMA 4

NUTRICIÓN Y RESPIRACIÓN CELULAR

Las células necesitan energía para poder realizar todas sus funciones vitales. La mejor manera de obtenerla es mediante la respiración celular llevada a cabo en las mitocondrias, que tiene como resultado la producción de adenosín trifosfato o ATP. Se conoce como respiración al conjunto de reacciones bioquímicas mediante las cuales la energía es liberada a partir de sustancias alimenticias, como por ejemplo la glucosa obtenida principalmente de los nutrientes.

¿CÓMO OBTIENE ENERGÍA LA CÉLULA?

Se necesita energía para realizar trabajos pesados y ejercicios, pero los humanos también utilizamos energía mientras pensamos e incluso mientras dormimos. De hecho, las células vivas de cada organismo utilizan constantemente energía. Los nutrientes y otras moléculas se importan a la célula, se metabolizan (se descomponen) y, posiblemente, se sintetizan en nuevas moléculas, se modifican si es necesario, se transportan alrededor de la célula y posiblemente se distribuyen a todo el organismo.

La mayor parte de las estructuras que componen a los seres vivos pertenecen a tres tipos de moléculas básicas: aminoácidos, azúcares y grasas. Estas moléculas son vitales y el metabolismo se centra en sintetizarlas para la construcción o reparación de células y tejidos, o en degradarlas y utilizarlas como recurso energético.

De los carbohidratos se obtiene la mayor cantidad de energía a través del metabolismo de la glucosa o glucólisis y la respiración celular.

¿Qué es el metabolismo?

Es la circulación continua de materia y energía a través del cuerpo. El metabolismo es una red de procesos que generan energía y le permiten a los seres vivos perpetuarse y autorrepararse.

¿QUÉ ES LA RESPIRACIÓN CELULAR?

Es el el proceso mediante el cual los organismos combinan el oxígeno con las moléculas de los productos alimenticios y desvían la energía química de estas sustancias a actividades que sustentan la vida y los descartan, como productos de desecho, dióxido de carbono y agua.

¿Sabías qué?
Los organismos que no dependen del oxígeno degradan los alimentos en un proceso llamado fermentación.

Glucólisis

Es el conjunto de reacciones químicas en las que la energía es extraída de la glucosa mediante su ruptura en dos moléculas llamadas piruvato. Este mecanismo es parte de la respiración celular y es la primera etapa del metabolismo de los carbohidratos, específicamente del catabolismo, donde las moléculas grandes se transforman en otras más pequeñas. Al romperse la glucosa, se libera energía en forma de dos moléculas de ATP. Finalmente, el producto resultante del piruvato puede ser utilizado en la respiración celular para almacenar aún más energía.

La glucólisis consta de 2 etapas: la fase de requerimiento energético, donde se gastan dos moléculas de ATP, y la fase de liberación de energía, donde se genera piruvato.

Ciclo de Krebs

Es la segunda etapa del proceso de respiración celular, mecanismo mediante el cual las células vivas descomponen moléculas de combustible orgánico en presencia de oxígeno para recoger la energía que necesitan para crecer y dividirse.

El combustible orgánico, ahora piruvato, es degradado a acetil coenzima A o acetil coA para poder entrar al ciclo de Krebs, el cual consta de 8 reacciones: citrato sintasa, acontinasa, isocitrato deshidrogenasa, alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, succinil CoA sintetasa, succinato deshidrogenasa, fumarasa y malato deshidrogenasa. De todas estas reacciones se producen 2 moléculas de ATP, 6 de NADH y 2 de FADH2, de estas dos últimas se generarán 18 ATP y 4 ATP respectivamente.

Cadena transportadora de electrones

Es la ruta final de la respiración aerobia y, además, es la única parte del metabolismo de la glucosa donde se utiliza el oxígeno atmosférico. Se lleva a cabo en la membrana interna de la mitocondria y tiene como finalidad crear un gradiente de protones (hidrogeniones H+) que luego puede ser utilizado en la fosforilación oxidativa para producir energía en forma de ATP.

El transporte de electrones es un conjunto de reacciones de óxido-reducción (reacciones de transferencia de electrones) que se asemejan a una especie de carrera de relevos. Allí los electrones son pasados rápidamente de un componente a otro hasta llegar al final de la cadena, donde los electrones reducen el oxígeno molecular y producen agua.

Los electrones transferidos en esta etapa pertenecen a las coenzimas NADH+H y FADH, provenientes de la glucólisis y el ciclo de Krebs, en total son 10 NADH+H y 2 FADH.

La cadena transportadora está formada por 4 complejos transportadores: complejo I o NADH deshidrogenasa, complejo II o succinato deshidrogenasa, complejo III o citocromo bc1 y complejo IV o citocromo oxidasa.

LA FABRICA DE ENERGÍA CELULAR: LA MITOCONDRIA

Las mitocondrias actúan como las centrales eléctricas de la célula. Contienen dos membranas principales. La membrana mitocondrial externa rodea completamente la membrana interna, con un pequeño espacio intermembrana en medio. La membrana externa tiene poros basados ​​en proteínas y suficientemente grandes para permitir el paso de algunos iones y moléculas.

Tanto el ciclo de Krebs como la cadena transportadora de electrones se producen dentro de la mitocondria.

En contraste, la membrana interna tiene una permeabilidad mucho más restringida. Al igual que la membrana plasmática de una célula, también está cargada de proteínas involucradas en el transporte de electrones y la síntesis de ATP. Esta membrana rodea la matriz mitocondrial, donde el ciclo de Krebs produce los electrones que viajan de un complejo de proteínas a otro en la membrana interna. El aceptor final de electrones es el oxígeno, y esto en última instancia forma agua. Al mismo tiempo, la cadena de transporte de electrones produce ATP.

¿QUÉ ES EL ATP?

El adenosín trifosfato o ATP es una molécula transportadora de energía y se encuentra en las células de todos los seres vivos. El ATP captura la energía química obtenida de la descomposición de las moléculas de los alimentos y la libera para alimentar otros procesos celulares.

¿Cómo es la estructura del ATP?

El ATP es un nucleótido que consta de tres estructuras principales: la base nitrogenada, la adenina; el azúcar (ribosa) y una cadena de tres grupos fosfato unidos a la ribosa.

La cadena de fosfato del ATP es la fuente de energía real que la célula utiliza. La energía disponible está contenida en los enlaces de los fosfatos y se libera cuando se rompen, lo que ocurre mediante la adición de una molécula de agua (un proceso llamado hidrólisis). Por lo general, solo el fosfato externo se elimina del ATP para producir energía; cuando esto ocurre, el ATP se convierte en difosfato de adenosina (ADP), la forma del nucleótido que tiene solo dos fosfatos.

De ADP a ATP

La mayor parte del ATP en las células es producido por la enzima ATP sintasa, que convierte el ADP y el fosfato en ATP.

RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo “Glucólisis: la energía del azúcar”

En este artículo encontrará información acerca de la glucólisis y sus etapas.

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Artículo “Respiración: cadena transportadora de electrones”

Este artículo contiene todos los pasos de la cadena transportadora de electrones, parte de la respiración celular.

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Artículo “Ciclo de Krebs: respiración celular”

Este artículo contiene toda la información necesaria acerca del ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico.

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Respiración aerobia y respiración anaerobia

Se define como respiración al conjunto de procesos bioquímicas mediante los se obtiene oxígeno energía a partir de sustancias alimenticias, como por ejemplo, la glucosa. Existen dos tipos de respiración: la aerobia o aeróbica y la anaerobia o anaeróbica. 

Respiración aerobia  Respiración anaerobia
Definición Tipo de respiración celular en la que se necesita oxígeno para extraer energía de los alimentos. Tipo de respiración celular en la cual no es necesario el oxígeno para degradar la glucosa.
¿Dónde se lleva a cabo? Mitocondria. Citoplasma.
¿Cómo es el proceso? Entra oxígeno a través del torrente sanguíneo y se libera CO2, H2O y ATP. Todo el proceso engloba las siguientes etapas: glucolisis, descarboxilación oxidativa del piruvato, ciclo de Krebs, cadena transportadora de electrones y fosforilazión oxidativa. Se lleva a cabo el proceso de glucólisis y las reacciones en una cadena transportadora de electrones similar a la de los organismos aerobios.
Aceptor final de electrones Oxígeno. Nitrato, sulfato  y dióxido de carbono, entre otros.
Fórmula  C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía (ATP) Depende del tipo de aceptor de electrones.
¿Cuántos ATP se forman? 2 36
¿Qué organismos la realizan? Microorganismos como bacterias y levaduras. La mayoría de los organismos eucariotas.

 

La química del champagne

El champagne, champán o champaña es un vino de la categoría de vino espumoso elaborado a partir de uvas muy selectas, provenientes de una región muy particular de Francia llamada Champagne – Ardenne y es por ésta región que la bebida recibe su nombre.

Los ejemplos más representativos del uso del champagne son las celebraciones populares como los fines de año, la botadura de un barco o incluso la victoria en una carrera automovilística.

El champagne puede tener diversas presentaciones en las que varían una o más de sus características como son su cuerpo o consistencia, su color, su espuma, su olor y por supuesto su sabor. Aparte del champán blanco tradicional también podemos encontrar el rosado, que se elabora a partir de una amplia variedad de uvas, en su mayoría tintas.

Historia

El origen del champagne se remonta al siglo IV, cuando eran los monjes franceses quienes se ocupaban de producir el vino sagrado que se usaba durante las misas de la época. Sin embargo no fue hasta el año 496, durante el bautismo de Clovis, rey de Francia, que se utilizó el champán para su unción y conversión al cristianismo. A partir del siglo XII el champagne empezó a tomar gran importancia en todo el mundo y fue aceptado como el vino predilecto para todo tipo de celebraciones, actualmente también es el preferido en los grandes eventos deportivos, utilizado con motivo de festejar las victorias.

El champán rosado goza de gran popularidad, sobre todo
para el público femenino.

Hoy en día la principal celebración deportiva en la que se utiliza el champán corresponde a las carreras de automóviles. La primera vez que se usó esta bebida en el mundo de la competición automovilística fue en el año 1907, en la carrera Pekín – París, que comprendió un recorrido de casi 15.000 km y donde el vencedor recibió como único premio una botella de champagne.

El Comité del Champán

Existe una organización a nivel mundial encargada de todo lo concerniente al champagne, llamada “The Comité Champagne” o “El Comité del Champán” en español, cuyo eslogan es “El champagne solo viene de Champagne, Francia”. El organismo se encarga de llevar el control de todo el proceso de cosecha, elaboración y distribución de la bebida alcohólica, teniendo además un mecanismo de control de autenticidad que garantiza que el origen del champán sea única y exclusivamente de la región de Champagne, Ardenne de Francia. El comité del champán posee ciertas reglas de cultivo, producción y almacenamiento que hacen que sus productos sean únicos en el mundo.

Existen muchos tipos de uvas utilizados en la elaboración de vinos espumosos y champañas, sin embargo los tres tipos más utilizados son: la Chardonnay, que es una uva blanca de pulpa blanca; la Pinot Noir y la Pinot Meunier, ambas son especies de uvas tintas de pulpa blanca.

Viñedo de Chardonnay, una variedad uva blanca utilizada en la fabricación de vinos blancos y champañas.

La química del Champagne

Para obtener la mayoría de las bebidas alcohólicas se da un proceso de fermentación, el cual fue descubierto por Luís Pasteur y que consiste en descomponer los azúcares o carbohidratos tales como glucosa, sacarosa, fructosa, entre otros, gracias a la acción de las levaduras y así obtener como productos finales el etanol, dióxido de carbono (CO2), NAD+ (Nicotinamida adenina dinucleótido) y dos moléculas de ATP (Adenosin trifosfato).

Modelo de una molécula de glucosa, donde los átomos azules son de carbono, los rojos de oxígeno y los blancos de hidrógeno.

El proceso de fermentación puede llevarse a cabo de manera anaeróbica, es decir, sin la presencia del oxígeno y se da específicamente gracias a la acción de unos microorganismos llamados levaduras y algunas bacterias. La levadura encargada de la producción de alcohol etílico para cervezas y algunos vinos se conoce como Saccharomyces cerevisiae y también interviene en la obtención de otros productos como la hidromiel, el pan, entre otros.

La fermentación alcohólica ocurre en varias etapas, en la primera se produce la ruptura de la molécula de glucosa mediante una reacción denominada glucólisis, obteniéndose dos moléculas de piruvato (anión del ácido pirúvico). En la segunda etapa se lleva a cabo una reacción de descarboxilación, por medio de la enzima descarboxilasa, obteniéndose como productos el acetaldehído y dióxido de carbono, que se desprende en forma gaseosa. En la última etapa actúa la enzima alcohol – deshidrogenasa sobre el acetaldehído, el NADH se oxida a NAD+ y se obtiene finalmente al etanol como producto final.

La ecuación general que se lleva a cabo en este proceso es la siguiente:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP  → 2 CH3-CH2-OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
(Glucosa)                            (Etanol)

Pi: piruvato
CO2: dióxido de carbono
ADP: adenosín difosfato
ATP: adenosín trifosfato
H2O: agua

En el proceso de fabricación de champagne y de la mayoría de los vinos espumosos se presentan dos fases de fermentación. La primera se realiza de la misma manera que para el resto de los vinos, es decir, en una cuba y la segunda fase de fermentación ocurre en la botella.

Métodos de gasificación

Método tradicional o Champenoise: para esto, a la botella se le añade azúcar, levadura y se cierra. El proceso de fermentación, como ya sabemos, produce CO2, que al no poder escapar se disuelve en el líquido. En la segunda etapa de fermentación debe cuidarse la cantidad de azúcar que se añade para que la cantidad de dióxido de carbono producido no cause que la botella reviente. Este método genera cierta sedimentación en las botellas, para eliminarla se las ubica con el cuello hacia abajo a 45° y se giran al menos dos veces al día. Cuando el sedimento se acumula en la botella se procede a congelar el cuello, luego se destapa y el gas expulsa el sedimento congelado, finalmente se procede a rellenar la botella con licor de expedición.

Almacenamiento de botellas de champagne luego de la segunda fermentación por el método tradicional.
La Levadura es un tipo de hongo que se caracteriza por su capacidad de fermentar azúcares y producir etanol.

Método Charmat o Granvas: en él se realiza una segunda fermentación en una cuba de acero inoxidable. Cuando ya se encuentra gasificado se embotella.

Fermentación de un vino espumoso en una cuba.
El tapón de las botellas de champagne es de corcho, debido a que por sus propiedades químicas y físicas permite su conservación.

Método industrial: el gas se inyecta directamente al líquido con máquinas especializadas, sin embargo de esta forma las burbujas no permanecen integradas a la bebida con tanta fuerza como en los casos anteriores.

Otras sustancias químicas presentes en el champagne: el proceso de descomposición de azúcares genera algunas sustancias volátiles tales como acetatos, aldehídos, cetonas, entre otros, que producen los olores característicos de esta bebida.
Es importante destacar que a las botellas de champagne se les colocan tapones de corcho en forma de setas, esto se debe a que este material es ideal debido a su elasticidad y a que se puede introducir mediante presión. Además, al estar en constante contacto con el licor el corcho tiende a endurecerse y así retener de mejor manera la presión interna de la botella.