Cuarta evaluación sumativa correspondiente al Bloque Temático IV: "La Materia y La Energía en las células".

A continuación se presentan cuatro relatos en los que están involucrados aspectos metabólicos de la célula, en ellos se plantean preguntas para tu evaluación, por lo que te solicito que los leas con mucha atención. Al terminar, contesta las preguntas e imprime tu reporte y entrégaselo al profesor el día martes a las 13:00 en el cubículo del edificio D, junto al invernadero del Plantel.

Relato 1: Era un día soleado y Créspulo López quiso mejorar su condición de salud, así que decidió hacer ejercicio y salió a correr. Al día siguiente le dolía todo el cuerpo y podía sentir cada una uno de sus músculos. Fue a ver a médico y éste le comentó que sólo se trataba de una acumulación pasajera de ácido láctico entre sus tejidos musculares, pero que al paso de unos días se le pasaría. El médico le felicitó por la decisión de ejercitare, pero le recomendó que se asesorara por un maestro de educación física para que le programara una rutina acorde a su condición física. Créspulo esperó unos días y le dejó de doler el cuerpo, como le había dicho el médico y continuó con sus actividades de ejercitación y ahora puede hacer más y mejor ejercicio.

1. ¿Qué tipo de metabolismo se realizó en las células de sus músculos al ejercitarse, sabiendo que se degradó (desdobló o rompió) la molécula glucosa en sus células musculares para producir moléculas de ATP?

2.- De las vías metabólicas que pueden realizar las células musculares del organismo humano ¿cuáles rutas metabólicas se llevaron a cabo durante la ejercitación de Créspulo López?

3.- Partiendo de la respuesta de la pregunta anterior contesta ¿en qué partes de la célula eucarionte se realiza cada una de las rutas que mencionas como parte de tu respuesta?

4.- ¿Por qué se le llama al ATP la "moneda metabólica de la vida"?

Relato 2: Soraya Guadarrama es alumna del Colegio de Bachilleres y su profesor de Biología le dejó investigar sobre el metabolismo de la célula. La pregunta concreta que le hizo su profesor fue la siguiente:

¿Puede una célula iniciar la respiración celular inmediatamente después de que incorpora a su citoplasma moleculas de glucosa?

¿Es la respiracón un proceso anaerobio o aerobio? y ¿Por qué?

Podrías ayudar a Soraya en su tarea y proporcionar tú la respuesta a la pregunta planteada.

Relato 3: Como parte de las actividades finales del semestre, en la asignatura de Biología I: La vida en la Tierra, le dejaron a Juan Sinmiedo elaborar un trabajo acerca de la Fotosíntesis. Al leer sobre este tema en los libros de la biblioteca, Juan Sinmiedo se hizó las siguiente spreguntas para coordinar la elaboración de su trabajo de Biología:

1.- ¿En qué organelo de la célula eucarionte se realiza este proceso biológico?

2.- Durante la fotosíntesis se da una transformación de energía ¿de qué energía a qué otra se realiza dicha transformación?

3.- ¿Cuáles son los productos de la Fotosíntesis?

4.- Explica ¿por qué se le considera a la Fotosíntesis un proceso anabólico?

Nota: Deja un comentario por equipo para registrar tu visita al Blog.

Biología I: La vida en la Tierra. Problema de Recuperación bloque temático III La célula.

Biología I: La vida en la Tierra. Problema de Recuperación bloque temático III La célula.
Instrucciones. Lee con atención cada uno de los cinco problemas que se presentan para que recuperes el Bloque temático III “La Célula”. Contesta en hojas de papel, en la que se incluirá a los alumnos del equipo correspondiente y entrégala el martes 29 de junio, a las 13:00 horas al profesor Octavio Benjamín Pérez Ortiz, en el cubículo que está junto al invernadero, en un sobre amarillo, el cual debe incluir:
1.- grupo.
2.- nombre del equipo.
3.- integrantes del equipo que participaron en la resolución de las preguntas.
4.- imagen alusiva al nombre del equipo.

Nota: Al realizar los problemas renuncias a tu calificación de la tercera evaluación parcial y se te anotará la calificación nueva que obtengas, para sumarse al porcentaje del portafolio de evidencias correspondiente al Bloque III.

No es necesario que dejes comentario.

Problema 1.
Recuerda que uno de los postulados de la Teoría celular dice que todos los seres vivos estamos hechos de células ¿qué explicación le darías a una persona (que no terminó la secundaria y que tiene entre 30 y 40 años) que los virus no son células?

Problema 2.
¿Cuál fue y es la importancia de contar con la Teoría Celular de Schleiden y Schwann para la humanidad?

Problema 3.
El alumno Juan Sinmiedo aún no logra comprender el por qué son diferentes las células procarionte de las eucariontes ¿podrías elaborar un afiche en el que establezcas las diferencias entre estos tipos celulares?

Problema 4.
Elabora un dibujo en el que se observen las características estructurales y funcionamiento en la célula eucariontes más relevantes de los siguientes organelos:
a) Núcleo.
b) Cloroplasto.
c) Mitocondria.

Problema 5.
Menciona qué características en común compartes las células procarionte y eucariontes.

La Fotosíntesis

COLEGIO DE BACHILLERES
PLANTEL 18 “TLILHUACA-AZCAPOTZALCO”.
ASIGNATURA: BIOLOGIA I.
SEMESTRE 2010-A.
PROF. BIOL. OCTAVIO BENJAMÍN PÉREZ ORTIZ.
DOCUMENTO: BTIV- 2B.


El presente documento busca que te familiarices con el importantísimo proceso de síntesis (anabólico) llamado fotosíntesis. Se estudiarán las etapas de que consta y los principales eventos que la caracterizan.

Fotosíntesis.

Los organismos autótrofos fotosintéticos o fotoautótrofos, son los protagonistas en el proceso más importante en la naturaleza: la fotosíntesis. Pero ¿qué es lo que hace que este proceso sea considerado de tal manera?
El propósito del presente documento es exactamente ese, explicar la importancia de esta ruta metabólica anabólica. La fotosíntesis transforma la energía luminosa en energía química biológicamente útil, transformando compuestos inorgánicos de baja energía en compuestos orgánicos de alta energía. Par tal fin, se ha separado el texto en las siguientes secciones para facilitar su comprensión:

Parte A
1. Introducción al proceso fotosintético.
2. Naturaleza de la luz.
3. Pigmentos fotosintéticos.
4. Sitio en el que se lleva cabo la Fotosíntesis.

Parte B.
5. Las fases de la Fotosíntesis.
a. Fase de reacciones Dependientes de la LUZ.
i. Transporte no cíclico.
ii. Transporte cíclico.
Parte C
b. Fase de reacciones Independientes de la LUZ.
Parte D.
i. Variantes de la fotosíntesis
a. Fotosíntesis oxigénica.
b. Fotosíntesis anoxigénica (bacteriana)
ii. Metabolismo C3 y CAM.

1. Introducción al proceso fotosintético.

Al comenzar la vida en los mares primitivos, los organismos, probablemente anaerobios, heterótrofos y unicelulares del tipo procarionte, obtenían su materia prima y la energía necesaria para crecer y reproducirse a partir de los compuestos orgánicos disponibles en su entorno, los cuales se habían producido abióticamente. Más tarde, conforme estos compuestos comenzaron a ser más y más escasos, se desarrolló la nutrición autótrofa fotosintética, hecho que hizo que la vida se independizara de los nutrimentos preexistentes[1]. Al principio, la fotosíntesis era de tipo anoxigénica, es decir, no liberaba oxígeno, obtenía los protones y electrones del ácido sulfúrico (H2S) derivado de la actividad ígnea. Sin embargo, la disponibilidad de H2S para este tipo de fotosíntesis[2], necesarios para reducir al CO2 y transformarlo en carbohidrato, era limitada. Ante esta presión selectiva de las condiciones prevalecientes, evolutivamente se originaron organismos autótrofos fotosintéticos oxigénicos, capaces de obtener su poder reductor de la ruptura de molécula de agua (H2O = H2 + O) y como consecuencia, liberaban oxígeno como producto residual[3]. Este gas fue acumulándose lentamente en el agua, en el suelo y en la atmósfera, con lo que la era anaeróbica de la vida en la Tierra había llegado a su etapa recesiva y la era aeróbica daba comienzo.

La fotosíntesis no sólo es un proceso por el cual se libera oxígeno al ambiente, sino que primordialmente su producto final son los carbohidratos [recuerda que éstos son parte básica en la nutrición].

A continuación se presenta la fórmula general de este proceso anabólico.

LUZ
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Clorofila

Como se puede deducir de la fórmula anterior, los componentes que se requieren para que se inicie la fotosíntesis son:
la luz (que principalmente es la proveniente del Sol),
el Bióxido de carbono (CO2) y
el agua (H2O).
Por su parte, el organismo fotosintético debe presentar un pigmento que absorba la energía lumínica al inicio de la fotosíntesis, tal pigmento es la clorofila. Como ya se mencionó, al final de la página anterior, los productos de la fotosíntesis son carbohidratos sencillos, como la glucosa. En el proceso se libera oxígeno molecular (O2), como un subproducto, el cual se elimina hacia el ambiente.

Parece que basta tan sólo con colocar estos componentes en un tubo de ensayo y se obtendrán los productos indicados. Sin embargo, esto no es así. La fotosíntesis es un proceso metabólico de tipo anabólico, debido a que a partir de compuestos sencillos inorgánicos, produce compuestos orgánicos de alta energía, misma que se obtiene de la luz, por medio de la regulación de varias enzimas.

Hasta este punto del documento, puede decirse que la Fotosíntesis es un proceso en el que se transforma la luz solar en la energía química que se requiere para realizar las funciones biológicas. La fotosíntesis es la principal fuente de compuestos orgánicos, ya que reduce el CO2 en sustancias orgánicas, como la glucosa.[4]

1.- Elabora con tus propias palabras una definición de fotosíntesis.
________________________________________________________________________

2.- Explica ¿Por qué la fotosíntesis es uno de los procesos biológicos mayor importancia?
________________________________________________________________________

Como la luz es la energía indispensable para que se realice este proceso, es necesario detenerse un poco para revisar algunas de sus características.

2. Naturaleza de la luz.

La luz blanca, es decir, la luz visible se descompone en diferentes colores (color = longitud de onda [l]) cuando pasa por un prisma. La longitud de onda, simbolizada con la letra griega lamnda l, es la distancia entre un pico de una onda hasta el pico de la siguiente. El espectro correspondiente a la luz visible, suele medirse en nanómetros (nm), va desde los 400 hasta los 740 nm. Dentro del espectro visible, la luz violeta tiene la longitud de onda más corta (400 nm) y la roja la más larga, (740 nm).


3.- ¿Qué relación existe entre las longitudes de onda y las energías mostradas en la tabla 01?
Directamente proporcional:
Si _____ No ____.
Inversamente proporcional:
Si _____ No ____.
Fundamenta tu respuesta:
________________________________________________________________________
Para entender lo anterior, se puede recurrir a la siguiente fórmula:

E = h c ⁄ λ
Donde:
v h = constante de Planck
con un valor de 6.6 × 10−34 J s.
v c = velocidad de la luz
3 × 108 m s−1.
v l = Longitud de onda.
v E = energía.

Por lo que la Energía está relacionada inversamente proporcional a la Longitud de onda.

Figura 01. Espectro electromagnético. Área correspondiente a la luz visible.

Otra característica de la luz es que está compuesta de partículas energéticas llamadas Fotones, donde su energía es inversamente proporcional a la longitud de onda. Es decir, a menor longitud de onda mayor energía (Ver tabla 01). Por ello, la luz es una fuente de energía.

Cuando un fotón encuentra una molécula pueden ocurrir tres cosas:

Rebotar en la molécula.
Pasar a través de la molécula.
Ser absorbido por la molécula,

En el último caso, la energía del fotón es transferida a la molécula que la absorbió. En este momento, la molécula pasa de un estado basal (baja energía) a un estado excitado (alta energía), donde la diferencia de energía entre el estado basal y el estado excitado es precisamente la energía del fotón absorbido. Cuando esto sucede, la energía adicional que ahora posee la molécula hace que uno de sus electrones sea impulsado hacia un orbital más alejado del núcleo, por lo que lo retiene con menos fuerza. Esto lo pone en la situación de poder ser transferido, junto con la energía implícita.

Todas las moléculas absorben radiación electromagnética. Las moléculas que absorben en las longitudes de onda de la luz visible se denominan pigmentos. Éstos pueden absorber la energía sólo en ciertas longitudes de onda, lo que da su espectro de absorción.
En la fotosíntesis, los pigmentos que son utilizados principalmente para absorber la energía de los fotones son las clorofilas.

3. Pigmentos fotosintéticos.

Como se mencionó líneas arriba, la energía luminosa tiene que ser absorbida primero para que pueda ser utilizada por los seres vivos. Esto lo realizan los pigmentos, que son sustancias que absorben energía luminosa.

La clorofila es el principal pigmento fotosintético, habiendo varios tipos de ésta entre los organismos fotosintetizadores, que a continuación se mencionan:
$ clorofila a.
$ clorofila b.
$ clorofila c.
$ clorofila bacteriana.

Estos pigmentos principalmente absorben las longitudes de onda correspondiente a los colores azul y rojo, como se muestra en la figura 01.

Figura 02. Espectro de absorción de las clorofilas a y b. La clorofila a y b absorben principalmente las longitudes de onda entre el azul y el rojo.
Existen unos pigmentos fotosintéticos que colaboran con la absorción de la energía luminosa como los carotenos, que absorben longitudes de onda diferentes a las de la clorofila, lo que hace que se amplíe el espectro de luz que puede activar la fotosíntesis[5].

4.- ¿Cuál es el papel biológico de la clorofila?
________________________________________________________________________

La clorofila puede pasar a un estado excitado por la luz o por el efecto de otras sustancias que ya han sido excitadas por la luz. Por lo tanto, cuando un caroteno se excita, su energía es transferida a la clorofila a[6].

La clorofila predominante es la clorofila a, la cual está distribuida en todas la plantas. La clorofila b es la segunda en distribución, se encuentra en todas las plantas y en ciertas algas. En algas pardas y en diatomeas hay clorofila c y en las algas rojas hay clorofila d[7]. Las cianobacterias presentan una clorofila particular de su grupo taxonómico.

Cabe mencionarse que todas ellas son semejantes en su estructura química, conteniendo el elemento magnesio (Mg) y difieren en su mayor parte en las cadenas laterales.

Figura 03. Estructura molecular de las clorofilas a y b.

4. Sitio en el que se lleva cabo la Fotosíntesis.

En los organismos eucariontes autótrofos, este proceso se realiza en los cloroplastos. Mientras que en los procariontes, como las cianobacterias, este proceso se realiza en pliegues de la membrana hacia el interior del citoplasma.

Los cloroplastos están delimitados por dos membranas, en cuyo interior se encuentra una sustancia homogénea (estroma), en ésta se hayan una estructuras en forma de discos apilados llamados Tilacoides, que en conjunto reciben el nombre de "grana". En las membranas de los tilacoides se ubica la clorofila.

Tilacoides
Estroma
Figura 04. El cloroplasto, organelo en el que realiza la fotosíntesis en los eucariontes. Se pueden apreciar los tilacoides apilados.

Parte B.

5. Las fases de la fotosíntesis.
La fotosíntesis ocurre en dos etapas complementarias. Cada una de las cuales está conformada por un conjunto de reacciones químicas. Estas reacciones tienen lugar en dos sitios distintos del cloroplasto.

La fase de reacciones dependientes de la luz (“Fase luminosa”). Se realiza en la membrana de los tilacoides.
La fase de reacciones independientes de la luz (“Fase oscura”). Se realiza en el estroma del cloroplasto.


Fase de reacciones dependientes de la luz (“Fase luminosa”).

v En la primera fase, conocida como Fotodependiente o reacciones dependientes de la luz, ésta última es absorbida por las moléculas de clorofila (a) que están en las membranas tilacoidales. Los electrones de la clorofila (a) son lanzados a niveles energéticos superiores, y las moléculas de clorofila (a) se oxidan. En una secuencia de reacciones, la energía que llevan estos electrones se usa para formar ATP y producir NADPH, es decir, la energía es temporalmente almacenada en ambos compuestos. Las moléculas de agua se rompen en esta etapa, evento conocido como fotólisis del agua, para dar electrones y protones (H+), usados en las reacciones de reducción.



Esta fase, se realizan eventos de suma importancia en la fotosíntesis, los cuales se enlistan a continuación:

1. Transporte de electrones
2. Fotólisis (rompimiento) de la molécula de agua.
3. Producción de ATP.
4. Producción de NADPH

La clorofila (a y b) es el principal pigmento que absorbe la energía luminosa. Por lo regular, suele estar acompañada de otros pigmentos que colaboran con ésta para captar dicha energía. En la membrana de los Tilacoides es donde se encuentran estos pigmentos formando centros de reacción. Existen dos centros de reacción principales: uno que reacciona a 680nm (denominado P680), y otro que lo hace a 700nm (denominado P700).

Estos dos centros de reacción (P680 y P700) cooperan en las reacciones luminosas.

El primer centro de reacción recibe el nombre de FOTOSISTEMA I y está conformado principalmente por clorofila a y se activa con longitudes de onda de hasta 700 nm.

El segundo centro de reacción recibe el nombre de FOTOSISTEMA II y posee un poco más de clorofila b que el anterior y se activa con luz por debajo de 680 nm[8].
Para que la fotosíntesis funcione con eficacia máxima, ambos centros deben activarse al mismo tiempo[9]. Cuando los centros de reacción están activados, cada uno de ellos dona un electrón a la molécula receptora, la cual se reduce y adquiere la capacidad para reducir a otra molécula al transferirle un electrón, creando un transporte de electrones en la membrana del tilacoide.

El transporte de electrones en la membrana de los Tilacoides puede ser de dos tipos:

Transporte no cíclico.
Transporte cíclico.

Transporte no cíclico.

Involucra a los dos fotosistemas (Fotosistema I y Fotosistema II). Permite utilizar la energía luminosa para producir ATP y NADPH, es decir, {energía y poder reductor}.

En este transporte se realiza la fotólisis del agua, los electrones del agua reemplazan los electrones que pierde la clorofila P680. Por ello, el agua se descompone en iones de hidrógeno (H+) y en Oxígeno (que se libera a la atmósfera). (Ver figura 04, en la siguiente página).

Transporte cíclico.

Implica sólo al Fotosistema I y produce ATP, sin la formación de NADPH. No se realiza la fotolisis del agua y por lo tanto no libera oxígeno. Este tipo de transporte se realiza para dotar a la célula fotosintética de una cantidad adicional de ATP, que se utilizará en la fase de reacciones independientes de la luz (fase oscura) para reducir a las moléculas de CO2[10].
Durante el transporte de electrones entre el Fotosistema II y el Fotosistema I, los iones de hidrógeno (H+) pasan desde el estroma hasta el interior del tilacoide, generando una diferencia en la concentración de protones entre el estroma y el interior del tilacoide. Esto explica porque el estroma tiene un pH alrededor de 8 y el interior del tilacoide de 5[11].

5.- ¿Qué es el pH?
________________________________________________________________________
6.- ¿Qué se mide con la escala de pH?
________________________________________________________________________

7.- Explica con tus propias palabras la diferencia en el pH entre el estroma y el interior de los tilacoides.
________________________________________________________________________

En ambos transportes (no cíclico y cíclico) se lleva a cabo la Fotofosforilación, donde la ATPasa bombea iones de hidrógeno (H+) hacia fuera del tilacoide, lo cual genera energía para la síntesis de ATP. (Ver figura 04).

Figura 05. En la que se representan los fotosistemas II y I, así como los transportes cíclicos y No cíclicos.



De forma preliminar, se puede establecer una primera conclusión: las reacciones químicas dependientes de la luz dan como productos:

Oxígeno como subproducto de la fotólisis del agua.
ATP producido por la Fotofosforilación.
NADPH reducido con parte de los hidrógenos producidos por la fotólisis del agua.

El ATP y el NADPH serán usados por las reacciones no dependientes de la luz.

Parte C.

Fase de reacciones Independientes de la LUZ.

v En la segunda fase de la fotosíntesis conocida como reacciones Independientes de la luz, el ATP y el NADPH, formados durante la primera etapa, se usan para reducir el bióxido de carbono a carbohidratos sencillos (glucosa). Recuerda que esto ocurre en el estroma del cloroplasto.

Durante esta fase, la energía química del ATP y del NADPH, producidos en la fase Fotodependiente, es transferida a los enlaces químicos de las moléculas de monosacáridos sintetizados. El destino de estos carbohidratos es variado, pueden usarse como nutrimentos o para fabricar diversos compuestos orgánicos necesarios por el organismo.

A continuación se muestra la reacción general que se realiza en la segunda Fase.

12 NADPH + 12 H + 18 ATP + 6 CO2 à C6H12O6 + 12 NADP + 18 ADP + 18 Pi + 6H2O
_____ __ ___ ___ ____ ____ ___ __ __

No obstante, no se realiza de esta manera, sino que ocurre a través de una serie de reacciones químicas, que en conjunto se denominan Ciclo de Calvin.




Figura 06. Se muestra de forma esquemática el conjunto de reacciones que forman el Ciclo de Calvin, que da como resultado la síntesis de carbohidratos monosacáridos en la fase Fotoindependiente de la Fotosíntesis.
El ciclo de Calvin consta de tres fases:

1. Carboxilación,
2. Reducción,
3. Regeneración.

Cabe destacar que para que se produzca una molécula de glucosa se requieren de dos ciclos completos[12]. A este tipo de metabolismo fotosintético se le denomina C3, porque el principal producto de la fijación del bióxido de carbono (CO2), conocida también como carboxilación, es un compuesto de tres carbonos llamado 3 fosfogliceraldehido (PGA) y las plantas de ambientes templados se apegan a éste tipo de fotosíntesis. Sin embargo, las plantas que viven en ambientes áridos (con escases de agua) presentan un metabolismo denominado C4, ya que fijan (capturan) el CO2 en un compuesto de cuatro carbonos denominado Oxaloacetato y luego continúan con el Ciclo de Calvin. Otras plantas, como las cactáceas, usan otra vía metabólica para fijar el CO2, denominada Metabolismo Ácido de las Crasuláceas (CAM), ambas variantes son adaptaciones metabólicas para vivir en estos ambientes de escasa humedad.

Parte D.
Metabolismo C4 y CAM
Las Plantas que incorporan el CO2 directamente al ciclo de Calvin, son llamadas C3, ya que el producto de esa incorporación son moléculas de tres átomos de carbono. Sin embargo, esta ruta metabólica es ineficiente bajo las siguientes condiciones restrictivas:
· Concentraciones de CO2 bajas (50 ppm)[13].
· Concentraciones de O2 altas,
· Temperaturas por arriba de los 30oC
· Iluminación solar intensa.
La enzima que cataliza la primera reacción del Ciclo de Calvin, que es la RUBISCO, bajo estas condiciones, en vez de fijar carbono (carboxilar), oxigena, con lo que la ruta metabólica cambia y se lleva a cabo la FOTORRESPIRACIÓN, en la que se consume ATP y NADPH, es decir se consume energía y poder reductor. Esto representa una pérdida para el proceso fotosintético, representando una desventaja adaptativa en plantas con este tipo de fotosíntesis para ambientes con semejantes características.
No obstante, muchas plantas han evolucionado metabólicamente de manera que logran la mayor tasa de fijación de CO2 en condiciones restrictivas. Algunas plantas de clima cálido, han evolucionado morfológica y bioquímicamente, evitando que el oxígeno llegue a la enzima Rubisco de manera directa. A dicho metabolismo, se le denomina C4.
Metabolismo C4
Este metabolismo se conoce así, ya que la molécula que se produce al incorporar el CO2 es de cuatro carbonos, en vez de tres como las C3. Esto ocurre de la siguiente forma:
Primero. El CO2 que ingresa a las células del mesófilo, es incorporado a una molécula de 3 carbonos, fosfoenolpiruvato (PEP), formando una molécula de 4 carbonos, el oxaloacetato (OAA). Esta reacción es catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEP carboxilasa). A diferencia de la enzima Rubisco, la PEPcarboxilasa sólo actúa carboxilando, por lo que en estas células del mesófilo no ocurre fotorrespiración.
Segundo. El OAA es reducido a Malato y este transportado a las células de la vaina del haz. En ese lugar, el malato es descarboxilado, liberando CO2 y Piruvato. Sólo en estas células existe Rubisco, por lo que el CO2 liberado entra entonces al ciclo de Calvin.
Tercero. El piruvato es transportado a las células del mesófilo, donde es fosforilado, recuperando PEP nuevamente, para continuar con la incorporación de CO2.
De este modo, el funcionamiento del ciclo de Calvin, en las plantas C4, ocurre sólo en las células de la vaina del haz, a partir del cual se realiza la síntesis de carbohidratos, sin que se registren pérdidas de CO2 por la vía fotorrespiratoria.
Figura 07. Se muestra a través de un dibujo esquemático la fotosíntesis C4.
En las plantas que viven en ambientes áridos se presenta otra forma de fijar el CO2, es el llamado metabolismo CAM.
Metabolismo CAM.
Se llama así, ya que son las siglas del “Metabolismo Ácido de las Crasuláceas” (en inglés) dado que fue en estas plantas en las que se observó por vez primera.
Recuerda que una de las condiciones ambientales que más afectan al proceso fotosintético, además de la temperatura, es la disponibilidad de agua. Bajo estas condiciones los estomas se cierran, con lo que se evita la pérdida de agua. Sin embargo, esta respuesta limita la entrada de CO2 al interior de las células fotosintéticas. Existe un cierto número de especies, que han evolucionado en el funcionamiento de su proceso fotosintético, acumulando CO2 durante la noche, en donde la apertura de los estomas no trae como consecuencia pérdida de agua, y reduciendo dicho CO2 durante el día, cuando hay luz para la síntesis de ATP y NADPH, por parte de las reacciones dependientes de la luz (“Fase luminosa”).
El funcionamiento bioquímico CAM es muy similar al descrito para el metabolismo C4, pero algunas de las etapas funcionan durante la noche, y otras durante el día. Específicamente,
Primero. Durante las horas de la noche, los estomas se abren permitiendo la entrada de CO2, el que es incorporado al PEP formando OAA, y este último es utilizado para formar un compuesto llamado malato.
Segundo. El malato es acumulado en las vacuolas cambiando el pH en su interior a niveles más ácidos.
Tercero. Durante el día, los estomas se cierran y el malato es liberado al citoplasma nuevamente en donde libera el CO2 y Piruvato, cambiando el pH de las vacuolas a niveles más básicos.
Cuarto. El CO2 almacenado durante la noche en forma de malato, pasa al ciclo de Calvin, a partir del cual se realiza la síntesis de carbohidratos.


Figura 08. Se muestra un esquema que sintetiza la fotosíntesis CAM.


8.- ¿Por qué el pH de las vacuolas cambia de ácido a básico durante el metabolismo CAM?
________________________________________________________________________

9.- Investiga y menciona un ejemplo de plantas:
C3. ________________________________
C4. ________________________________
CAM. _______________________________

Conclusión:

Los organismos autótrofos fotosintéticos, que pueden ser procariontes y eucariontes, utilizan como fuente de energía la luz solar para elaborar compuestos químicos de alta energía, como los carbohidratos. Estos carbohidratos pueden ser utilizados para la síntesis de otros componentes importantes para el organismo o pasar a las reacciones de degradación y ser fuente de energía biológicamente útil.











Figura 09. Se muestran dos esquemas que representan hojas de plantas con fotosíntesis C3 y C4.


Actividad I. Cuestionario Guía del Documento

Instrucciones: lee con atención los siguientes cuestionamiento y contesta en el espacio sin ocupar en esta hoja, tanto al derecho como al anverso de la misma.

1. ¿Qué es la fotosíntesis?
2. ¿Por qué se le considera un proceso anabólico?
3. ¿Cuáles son los componentes necesarios para que se realice completamente la fotosíntesis y que el organismo toma del ambiente?
4. ¿Cuál es el producto de la fotosíntesis?
5. ¿Qué tipo de energía inicia la fotosíntesis?
6. ¿Cuáles son las fases principales de la fotosíntesis?
7. ¿Qué organismos realizan la fotosíntesis?
8. ¿A qué reinos y qué dominios pertenecen dichos organismos?
9. En los organismos eucariontes ¿qué organelo realiza la fotosíntesis?
10. ¿En qué partes de dicho organelo se realiza cada una de las fases de la fotosíntesis?

Actividad II. Elabora, en tu cuaderno, un mapa conceptual del documento 10 “Fotosíntesis”.



[1] Margulis, Lynn. 1986. El origen de la célula. Editorial Reverté. Barcelona, España. Pág. 51.
[2] Ídem. Margulis, Pág. 51.
[3] Ídem. Margulis, Pág. 51.
[4] Muñiz, et al. 2000. Biología. Editorial Mc Graw Hill. Pág. 174.
[5] Ville, Solomon, et al. 1992. Biología. 4ª. Edición. Editorial Interamericana Mc Graw-Hill. México D.F. Pág. 186.
[6] Ídem. Pág. 186.
[7] Nason. 2000. Biología. Editorial Limusa. México. Pág. 164.
[8] Jensen y Salisbury. 1988. Botánica. 2ª. Edición. Editorial Mc Graw Hill. Pág. 89.
[9] Ídem. Jensen y Salisbury. Pág. 90.
[10] Muñiz, et al. 1996. Biología. Editorial Mc Graw Hill. Pág. 179.
[11] Ídem. Muñiz, et al. Pág. 180.
[12] Ville, Solomon, et al. 1992. Biología. 4ª. Edición. Editorial Interamericana Mc Graw-Hill. México D.F. Pág. 191.

[13] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/phoc.html

LA CÉLULA: ESTUDIO DE CASOS

Instrucciones: Con base en la lectura del Documento BTIII-1B, analiza los siguinetes casos y contesta de forma concisa las preguntas que se te plantean para cada uno de los mismos.



ESTUDIO DE CASOS:

Caso 1.
En cierta ocasión, la doctora Sevelinda Parada, estaba analizando, a través del microscopio a un organismo unicelular, tal como el que aparece en la imagen. la Doctora logró reconocer algunas de las características de este ser vivo, las cuales a continuación se exponen:

a) Sólo estaba constituído por una sóla célula.
b) Estos organismos vivían agrupados, pero conservaban su autonomía. esto es, no requerían de los demás de su especie para realizar sus actividades biológicas y mantenerse vivos.
c) Su material genético (ADN) se encontraba directamente en el citoplasma, en una área denominada nucleoide, pero las evidencias indican que no posee núcleo.
d) la doctora Parada determinó que la talla de este organismo es de 5 micras de longitud.

Preguntas a responder para el Caso 1.

1. En qué nivel de organización de la materia se encuentra dicho organismo.


2. Por el número de células que lo conforman ¿a qué tipo de organismos pertenece?


3. Con base a las características de este ser vivo ¿qué tipo de célula lo forma?


4. ¿Cuál es el principal sustento de tu respuesta de la pregunta anterior?

Caso 2.
El doctor en Biología Yoshi Hiru Tukoku halló, como resultado del análisis de laboratorio practicado al cadáver de un desconocido encontrado en la vía pública, organismos alojados en el intestino del occiso. Dichos seres presentaban las siguientes características:
a) el organismo presentaba su material genético dentro de un organelo denominado Núcleo.
b) presentaba otros organelos como mitocondrias y lisosomas.
c) la parte intracelular presentaba un estado de agregación denominado coloidal.
d) los organismos de la especie (Entamoeba histolytica) encontrada causan severas infecciones intestinales y cuadros diarreicos.
El Doctor Yoshi Hiru Tukoku tomo un video de este organismo, el cual puedes ver en la siguiente dirección:

Video de Entamoeba Histolytica:
http://www.youtube.com/watch?v=x1ErCyZCFw8

Preguntas a resolver para el caso 2.

1. ¿A qué tipo celular pertenece el organismo analizado?



2. ¿Se trata de un organismo pluricelular o unicelular? justifca tu respuesta.



3. Este organismo ¿qué tipos de transporte a través de la membrana plasmática llevará a cabo para introducir a su citoplasma particulas de gran tamaño?



4. Menciona una de las funciones del citoplasma de este organismo.

Caso 3.

El año de 2009, se caracterizó, en cuestión de salud, por una pandemia causada por el virus de la influenza A H1N1, cuya imágen a continuación se presenta:

Preguntas a resolver para el caso 3.

1. De acuerdo con la Teoría celular ¿cuál es el postulado con el que se puede argumentar de que los virus no son seres vivos?



2. Tomando en consideración los niveles de organización de la materia ¿por qué un virus no es un ser vivo?

Caso 4.

En la asignatura de Biología I el profesor les dejó a los alumnos resolver un problema que tiene que ver con el Bloque Temático III "La Célula", el cual dice así:

"Suponga que el alumno Palafox Novenada Bardomiado quiere observar cloroplastos en el microscopio. Para tal fin, cuenta con cinco opciones,

de las cuales, sólo una es correcta:

A) células de hígado de pollo (hepatocitos).

B) glóbulos rojos (eritrocitos) de la sangre humana.

C) hifas del micelio de un hongo.

D) células de la hoja de planta Elodea.

E) Bacterias de la especia Escherichia coli.

Preguntas a resolver para el caso 4.

1. ¿Cuál es la opción correcta?


2. ¿En qué fundamentas tu respuesta?


3. ¿Cuál es la explicación por la que las células de plantas no presetan en sus membranas plasmáticas moléculas de colesterol?

Instrucción final: Alumnos de los grupos 203 y 204. Copien toda la información de este Blog y péguenla en un documento de Word, para llevarlo impreso a la clase del proximo lunes 7 de junio de 2010, junto con tus respuestas que hayas puesto como comentarios.

Los alumnos de los grupos 209 y 206, sigan la misma instrucción final, sólo que llevarán su mpresión al salón de clases:

209 para el jueves.

206 para el viernes.

Origen de la célula eucarionte

Introducción:
Hace 1400 millones de años se originó la primera célula eucarionte (13), aunque algunos proponen que a más tardar debieron surgir hace uno 700 millones de años (1). Esto indica que los registros más antiguos de los primeros organismos con células eucariontes datan el origen de éstos entre 1400 a 700 millones de años en el pasado. Cabe destacar que este tipo de células presentan características distintas a las células procariontes. Una de las características más conspicuas de los eucariontes, además de presentar un núcleo, es el hecho de presentar organelos tales como las mitocondrias, mismas que tienen una participación fundamental en el metabolismo de este tipo de célula; como es el hecho de producir ATP mediante la respiración aerobia.

En general las mitocondrias presentan una forma ovalada cuyo tamaño, estructura interna, y número por célula varía en los diferentes tipos celulares. Están compuestas por dos membranas, una externa (lisa) y una interna (plegada), dentro se encuentra la matriz mitocondrial que incluye a múltiples enzimas del metabolismo intermediario, así como sus propias moléculas de ADN mitocondrial.

Dentro de la matriz mitocondrial, las mitocondrias, presentan su propio Ácido Desoxirribonucleico, que se le denomina mitocondrial (ADNm), para diferenciarlo del ADN que se ubica en el núcleo de la célula. Este ADNm codifica información para proteínas de la membrana interna, y algunos elementos necesarios para su traducción como ARN ribosomales y ARN de transferencia. Los otros cientos de proteínas que requiere la mitocondria para su funcionamiento se encuentran codificadas en el ADN del núcleo y son sintetizadas en el citoplasma de la célula, para luego ser importadas por la mitocondria.

Figura 01. Mitocondria. Presenta dos membranas. La membrana interna se pliega formando las crestas mitocondriales. En su interior está la matriz mitocondrial.

Ante estos hechos, cabe plantearse las siguientes preguntas que permitan develar las incógnitas que se ciernen sobre el origen de este organelo característico de la célula eucarionte y del origen mismo de esta última, tales como:

v ¿Por qué un organelo como las mitocondrias posee su propio ADN?
v Acaso ¿no todo el ADN de una célula se encuentra en su núcleo?
v ¿Cuál es la explicación de que las mitocondrias tengan ADN propio?
v ¿Por qué no todas las proteínas que requiere la mitocondria se encuentran codificadas en su propio ADN?
v ¿Por qué el resto de las proteínas que la mitocondria utiliza en sus funciones metabólicas se encuentran en el ADN del núcleo?
v ¿Será que algunos de los genes de la mitocondria fueron transferidos al ADN del núcleo?
v ¿Organelos como las mitocondrias pudieron ser alguna vez organismos unicelulares de vida libre?
Estas son sólo algunas de las preguntas que los científicos y las personas interesadas en el tema se formulan en torno al origen evolutivo de las mitocondria y de otros organelos que conforman a las células eucariontes. En este documento se buscará abordar los aspectos más relevantes del origen de la célula eucarionte y de organelos característicos de ésta, tales como las mitocondrias o los cloroplastos de las células eucariontes autótrofas. Para ello, el presente documento hará énfasis a la explicación más aceptada por la comunidad científica sobre el origen de las mitocondrias y por consecuencia de las células eucariontes.

Desarrollo:
EL ORIGEN ENDOSIMBIÓNTICO DE LAS MITOCONDRIAS.
Se han propuesto muchas explicaciones para dar respuesta a cómo fue que se desarrollaron en el curso evolutivo de la vida en el planeta las células eucariontes. Una de estas hipótesis menciona que los organelos celulares se diferenciaron a partir del núcleo en forma de vesículas que llevarían algunos genes y posteriormente se especializarían en alguna de las funciones de la célula, y así surgirían las mitocondrias y los cloroplastos. Sin embargo, el ADN de los organelos citados es diferente al del núcleo y de hecho, presenta una enorme similitud con el ADN de los organismos bacterianos (1). Lo cual deja muchas dudas sobre esta explicación. Ante esto, científicos dedicados al estudio del origen de las células eucariontes han planteado tesis alternativas a la que se mencionó en este parágrafo. Una de las más robustas es la teoría endosimbiótica.

Esta teoría es una de las más aceptadas por la comunidad científica sobre el origen de las mitocondrias, y por así decirlo de las células eucariontes. Sin embargo, aún no están totalmente de acuerdo los científicos sobre qué organismos fueron los involucrados en este proceso endosimbiótico, por lo que se han planteado varias alternativas. Esta teoría, la endosimbiósis, propone que organelos como las mitocondrias y los cloroplastos son descendientes de un endosimbionte bacteriano que se estableció en el citoplasma de una célula proto-eucarionte en una etapa temprana de la evolución (1).

De acuerdo con la teoría endosimbiótica, un organismos unicelular primitivo al que se le denominará proto-eucarionte fagocitó a un pequeño procarionte (proto-mitocondria) que podía realizar la respiración aerobia, los científicos piensan que esto pudo ocurrir hace unos 1500 millones de años. Una vez que la proto-mitocondria estuvo en el interior de la proto-eucarionte, la primera no lo digirió, sino que establecieron un tipo de convivencia que se conoce como simbiosis mutualista, en el cual ambos se benefician y ninguno es dañando.



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Proto-eucarionte proto-mitocondria se realiza la fagocitosis. Se establece la endosimbiosis

Figura 02. En la que se ilustra el planteamiento de la teoría de la endosimbiósis.
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El proto-eucarionte se benefició de dos maneras: la primera consistió en que ya no era afectada por el oxígeno que se estaba acumulando en al ambiente por acción de la fotosíntesis, ya que la proto-mitocondria lo utilizaba para realizar la respiración aerobia. El segundo beneficio para la proto-eucarionte es que ganó un excedente de ATP provisto por la proto-mitocondria, con lo que tenía un mayor aporte de energía para realizar el trabajo celular. La proto-mitocondria se benefició al hallarse en el citoplasma de la proto-eucarionte, el cual le proveía de un medio ambiente estable y rico en compuestos nutritivos.
Con el tiempo esta unión se convirtió en algo tan estrecho que ninguna de las dos participantes pudo sobrevivir de manera independiente y aislada. Además, las proto-mitocondrias transfirieron gran parte de su información genética al núcleo de la proto-eucarionte. De esta manera, la proto-mitocondria no dispone de los componentes de la cadena de transporte de electrones.









Figura 03. En la que se muestra la estructura morfológica de una mitocondria típica.





Núcleo
Citoplasma
Mitocondria
Transferencia de genes mitocondriales al núcleo

Figura 04. Representación de la transferencia de información genética de genoma de la proto-mitocondria al núcleo de la proto-eucarionte.
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La proto-mitocondria evolucionó para convertirse en el organelo llamado mitocondria y la proto-eucarionte se convirtió en la célula eucarionte.

Un proceso similar ocurrió con el cloroplasto, que también su origen se explica por endosimbiósis. Aunque este evento se ha dado en varias ocasiones en el curso evolutivo de los organismos eucariontes fotosintéticos. En el caso de las algas Clorophytas (algas verdes) se considera que un procarionte del género Prochloron originó endosimbióticamente los cloroplatos (1).
Resumiendo, según la hipótesis endosimbiótica las mitocondrias proceden de bacterias aeróbicas (probablemente del grupo de las Rikettsias; afirmación que se puede hacer gracias a la comparación del genoma mitocondrial con el genoma completo de Rickettsia prowazekii [el genoma bacteriano más parecido a un genoma mitocondrial] (3) en la que muestran semejanzas tanto en las secuencias como en la organización y disposición de sus genes); así como, en muchos organismos fotosintéticos, sus cloroplastos, provienen de cianobacterias, que entraron en una relación endosimbiótica con una célula eucarionte primitiva (12).

¿Qué argumentos plantean los biólogos para sustentar esta afirmación?

La primera premisa que usan los biólogos es que, tanto las mitocondrias como los cloroplastos presentan su propio ADN, independiente del ADN que se encuentra en el núcleo de la célula.

La segunda premisa es que estructuralmente, las mitocondrias y cloroplastos, tienen una conformación de procarionte y no de eucarionte.

El tercer argumento que emplean los biólogos para sostener la teoría endosimbiótica es que las mitocondrias y cloroplastos se dividen (reproducen) de manera similar a las procariontes, es decir por fisión binaria, dentro del citoplasma.

Un último argumento es que los antibióticos que se utilizan para detener las infecciones por procariontes (bacterias), afectan de manera similar a las mitocondrias y a los cloroplastos.

Conclusión:
La teoría endosimbiótica plantea que el origen de las mitocondrias y de las células eucariontes ocurrió de manera simultánea. Posteriormente, en los ancestros de los organismos eucariontes autótrofos se llevó a cabo el origen endosimbiótico de los cloroplastos.

La endosimbiosis es un fenómeno muy frecuente en la naturaleza. Existen varias especies de bacterias que coexisten con un hospedero eucarionte (8) o bacterias que habitan en el interior de otras bacterias (9). Inclusive, la endosimbiosis intracelular ha sido reproducida en el laboratorio, al introducir ciertas cepas bacterianas en algunas amibas y formar endosimbiontes estables (10).

Actualmente, las mitocondrias conservan varias características similares a células procariontes de las que descienden, tales como:
o se dividen mediante un mecanismo similar a la fisión binaria;
o los procesos respiratorios que suceden en su interior son muy similares a los que ocurren en las bacterias aeróbicas actuales;
o y en la matriz mitocondrial es posible encontrar varias copias de un (ADNm) mitocondrial (11)
o así como ARNr y ribosomas de tipo bacteriano (70S) que participan en la síntesis de proteínas.


Figura 05. Representación gráfica de un Cloroplasto.

Cabe hacer la aclaración que la teoría endosimbiótica explica el origen de organelos como los cloroplastos y las mitocondrias, pero no ayuda mucho al intentar explicar otros atributos de la célula eucarionte, como el origen del núcleo o los sistemas de membranas internos (Retículo Endoplásmico y Aparato de Golgi).

Aún con esta acotación, ahora se acepta que las células eucariontes son producto de la endosimbiosis de varios organismos unicelulares; así que de manera metafórica se puede decir que los eucariontes son quimeras evolutivas.




Actividad I:
Elabora un mapa conceptual sobre el tema de origen de la célula eucarionte.

Actividad II.
¿Cómo usarías el hecho de que las mitocondrias posen ribosomas del tipo 70S como argumento para apoyar la afirmación de que éstas derivan de ancestros bacterianos?



REFERENCIAS
1. Margulis L (1970). El origin de la célula. Editorial Reverté. Barcelona, España. pp. 71-72.
2. Andersson SG, Karlberg O, Canback B, Kurland CG (2003) On the origin of mitochondria: a genomics perspective. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 358:165-179.
3. Lang BF, Gray MW, Burger G (1999) Mitochondrial genome evolution and the origin of eukaryotes. Annu Rev Genet 33:351-397.
4. Martin W, Muller M (1998) The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature 392:37-41.
5. Martin W, Russel MJ (2003) On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Phil Trans R Soc Lond B 358:59-85.
6. Moreira D, López-García P (1998) Symbiosis between methanogenic archea and ä-proteobacteria as the origin of eukaryotes: the synthrophy hypothesis. J Mol. Evol. 47:517-530.
7. Gray MW, Burger G, Lang BF (1999). Mitochondrial evolution. Science 283:1476-1481.
8. Springer N, Amann R, Ludwig W, Schleifer KH, Schmidt H (1996) Polynucleobacter necessarius, an obligate bacterial endosymbiont of the hypotrichous ciliate Euplotes aediculatus, is a member of the beta-subclass of Proteobacteria. FEMS Microbiol Lett 135:333-336.
9. von Dohlen CD, Kohler S, Alsop ST, McManus WR (2001) Mealybug beta-proteobacterial endosymbionts contain gamma-proteobacterial symbionts. Nature 412:433-436.
10. Pak JW, Jeon KW (1997) A symbiont-produced protein and bacterial symbiosis in Amoeba proteus. J Eukaryot Microbiol 44:614-619.
11. Nass S, Nass MMK (1963) Ultramitochondrial fibers with DNA characteristics. J Cell Biol 19:593-629.
12. Knoll, A. H. 2004. La vida en un joven planeta. Editorial Crítica. Barcelona, España. Pág. 168.
13. Audersik y Audersik. 1997. Biología: la vida en la Tierra. 4ª. Edición. Prentice hall. México. Pág. 369