Información

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_09 - Biología

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_09 - Biología



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Objetivos de aprendizaje asociados con 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_09

  • Cree una ilustración etiquetada que represente una célula bacteriana o arquea típica. El dibujo debe incluir algunas características comunes que distinguen a las células bacterianas y arqueales de las de las células eucariotas.
  • Describa algunas de las "necesidades" básicas que tienen las células bacterianas y arqueales para sobrevivir y analice algunas de las limitaciones físicas que pueden limitar el tamaño de las células bacterianas y arqueales.
  • Explica cómo las moléculas entran y salen de las células.
  • Analice las diversas funciones funcionales que desempeña una membrana biológica.
  • Describe las cualidades y componentes de la membrana plasmática.
  • Definir las propiedades de las moléculas que pueden viajar a través de la membrana plasmática y contrastarlas con las propiedades que hacen que otras moléculas sean incapaces de penetrar en la membrana.
  • Compare y contraste la influencia de diferentes longitudes de cadena de fosfolípidos y grado de saturación en lípidos de la membrana sobre la fluidez de la membrana.
  • Compare y contraste la difusión pasiva, la difusión facilitada y el transporte activo.

Introducción a la diversidad de bacterias y arqueas

Quizás las bacterias puedan tentativamenteconsiderarsecomo experimentos bioquímicos; debido a su tamaño relativamente pequeño y rápido crecimiento, las variaciones deben surgir con mucha más frecuencia que en formas de vida más diferenciadas, y además pueden permitirse ocupar posiciones más precarias ennaturaleconomía que los organismos más grandes con requisitos más exigentes. - Marjory Stephenson, en Metabolismo bacteriano, (1930)

Procariotas son organismos unicelulares que no tienen un núcleo unido a la membrana ni otros orgánulos unidos a la membrana lipídica.Están compuestosde dos grupos de organismos filogenéticamente distintos: Bacteria y Arqueas. En los últimos años, el término procariota ha caído en desgracia para muchos microbiólogos. La razón es que, si bien las bacterias y las arqueas comparten muchas características morfológicas,sin embargo,representan dominios evolutivamente distintos de la vida. La siguiente figura muestra un árbol filogenético simple con los tres dominios principales de la vida: Bacteria, Archaea y Eukarya. Esto significa que no deberíamos usar el término procariota con la intención de agrupar las bacterias y arqueas en base a una historia evolutiva compartida. Sin embargo, es conveniente utilizar el término "procariota" al describir los grupos de organismos que comparten las características morfológicas comunes (es decir, sin núcleo) y algunos de sus instructores probablemente lo harán. Cuando escuche o use el término "procariota", asegúrese deeseno se utiliza ni implica que las bacterias y las arqueas sean parte del mismo grupo filogenético. Más bien, hazseguro que el uso del término "procariota" es limitadopara describir las características físicas comunes de estos dos grupos microbianos.

Figura 1. Aunque las bacterias y las arqueas se describen como procariotas,han sido colocadosen dominios separados de la vida. Se cree que un antepasado de las arqueas modernas dio origen a Eukarya, el tercer dominio de la vida. Se muestran filos arqueales y bacterianos; la relación evolutiva exacta entre estos phyla todavía está abierta a debate.

Aunque las bacterias y las arqueas comparten muchos atributos morfológicos, estructurales y metabólicos, existen muchas diferencias entre los organismos de estos dos clados. Las diferencias más notables se encuentran en la estructura química y la composición de los lípidos de la membrana, la composición química de la pared celular y la composición de la maquinaria de procesamiento de información (por ejemplo, replicación, reparación del ADN y transcripción).

Diversidad de bacterias y arqueas

Las bacterias y arqueas estaban en la Tierra mucho antes de que apareciera la vida multicelular. Son ubicuos y tienen actividades metabólicas muy diversas. Esta diversidad permite que diferentes especies dentro de los clados habiten en todas las superficies imaginables donde hay suficiente humedad. Por ejemplo, algunas estimaciones sugieren que en el cuerpo humano típico, las células bacterianas superan en número a las células del cuerpo humano en aproximadamente diez a uno. Las bacterias y las arqueas comprenden la mayoría de los seres vivos en todos los ecosistemas. Ciertas especies de bacterias y arqueas pueden prosperar en ambientes inhóspitos para la mayoría de las demás formas de vida. Las bacterias y arqueas, junto con los eucariotas microbianos, también son fundamentales para el reciclaje de nutrientes esencial para la creación de nuevas biomoléculas. También impulsan la evolución de nuevos ecosistemas (naturales o artificiales).

Los primeros habitantes de la Tierra

La tierra y su luna se piensantener unos 4.540 millones de años.Esta estimación se basasobre la evidencia de la datación radiométrica de material de meteorito, junto con otro material de sustrato de la Tierra y la Luna. La Tierra primitiva tenía una atmósfera muy diferente (contenía menos oxígeno molecular) de la que tiene hoy yse sometióa una fuerte radiación; Por lo tanto, los primeros organismos habrían florecido en áreas donde estaban más protegidos, como en las profundidades del océano o debajo de la superficie de la Tierra. Durante este período de tiempo, la fuerte actividad volcánica fue común en la Tierra, por lo que es probable que la evolución adaptara estos primeros organismos a temperaturas muy altas.La Tierra primitiva también fue bombardeadacon radiación mutagénica del sol. Por tanto, los primeros organismos debían soportar todas estas duras condiciones.

Entonces, ¿cuándo y dónde empezó la vida? ¿Cuáles eran las condiciones en la Tierra cuando comenzó la vida? Que hizo LUCA (el último antepasado común universal), ¿el predecesor de las bacterias y arqueas? Si bien no sabemos exactamente cuándo y cómo surgió la vida y cómo era cuando sucedió,hacertengoun numero dehipótesis basadas en diversos datos biológicos y geológicos que describimos brevemente a continuación.

La atmósfera antigua

Evidenciaindicaque durante los primeros dos mil millones de años de la existencia de la Tierra, la atmósfera fue anóxico, lo que significa que no había oxígeno molecular. Por lo tanto, solo aquellos organismos que pueden crecer sin oxígeno:anaeróbico organismos — podrían vivir. Organismos autótrofos que convierten la energía solar en energía química.son llamadosfotótrofos, y ellosapareciódentro de mil millones de años de la formación de la Tierra. Luego, cianobacterias, también conocidas como algas verdiazules, evolucionaron a partir de estos simples fotótrofos mil millones de años después. Las cianobacterias comenzaron a oxigenar la atmósfera. El aumento de oxígeno atmosférico permitió el desarrollo de O más eficiente2-utilizandoVías catabólicas. También abrió la tierra a una mayor colonización, porquealgunos O2Está convertidoen O3 (ozono), y el ozono absorbe la luz ultravioleta que de otro modo causaría mutaciones letales en el ADN. En última instancia, el aumento de O2 las concentraciones permitieron la evolución de otras formas de vida.

Nota: la evolución de bacterias y arqueas.

¿Cómo responden los científicos a las preguntas sobre la evolución de las bacterias y las arqueas? diferente aconanimales, los artefactos en el registro fósil de bacterias y arqueas ofrecen muy poca información. Los fósiles de bacterias y arqueas antiguas parecen pequeñas burbujas en la roca. Algunos científicos recurren a la genética comparativa que, como su nombre indica, es un dominio de la biología que hace comparaciones cuantitativas de la información genética entre dos o más especies. Una suposición fundamental enel campo deLa genética comparativa es que cuanto más recientemente hayan divergido dos especies, más similar será su información genética. Por el contrario, las especies que divergieron hace mucho tiempo tendrán más genes que sean diferentes. Por lo tanto, comparar secuencias genéticas entre organismos puede arrojar luz sobre sus relaciones evolutivas y permitir a los científicos crear modelos de cómo podría haber sido la composición genética de los antepasados ​​de los organismos comparados.

Científicos del Instituto de Astrobiología de la NASA y del Laboratorio Europeo de Biología Molecular colaboraron para analizar la evolución molecular de 32 proteínas específicas comunes a 72 especies de bacterias. El modelo que derivaron de sus datosindicaque tres grupos importantes de bacterias: Actinobacteria, Deinococcus, y cianobacterias (que los autores llaman Terrabacterias) —Fueron probablemente los primeros en colonizar la tierra. Organismos del género Deinococcus son bacterias quetienden a sermuy resistente a las radiaciones ionizantes. Las cianobacterias son fotosintetizadores, mientras que las actinobacterias son un grupo de bacterias muy comunes que incluyen especies importantes en la descomposición de desechos orgánicos.

Las líneas de tiempo de la divergencia de especies sugieren que las bacterias (miembros del dominio Bacteria) se separaron de las especies ancestrales comunes hace entre 2.5 y 3.2 mil millones de años, mientras que las arqueas divergieron antes: entre 3.1 y 4.1 mil millones de años. Eukarya se separó de la línea arcaica más tarde. Había bacterias capaces de crecer en el ambiente anóxico que existía antes deel advenimiento decianobacterias (hace unos 2.600 millones de años). Estas bacterias debían ser resistentes al secado y poseer compuestos que protegieran al organismo de la radiación.Ha sido propuestoque la aparición de cianobacterias con su capacidad para realizar la fotosíntesis y producir oxígeno fue un evento clave en la evolución de la vida en la Tierra.

Esteras microbianas

Las esteras microbianas (biopelículas grandes) puedenser representante dela estructura visible más antigua formada por la vida en la Tierra; hay evidencia fósil de su presencia a partir de hace unos 3.500 millones de años. A estera microbiana es una hoja de microbios de varias capas compuesta principalmente debacteriaspero eso también puede incluir arqueas. Las esteras microbianas tienen unos pocos centímetros de grosor y normalmente crecen en la interfaz entre dos materiales, principalmente en superficies húmedas. Organismos en una alfombra microbianase llevan a cabojuntos por una sustancia pegajosa similar a un pegamento que secretan, formando una matriz extracelular. Las especies dentro de la estera llevan a cabo diferentes actividades metabólicas dependiendo de su entorno. Como resultado,se han identificado esteras microbianasque tienen diferentes texturas y colores que reflejan la composición de la estera y las actividades metabólicas realizadas por los microorganismos que componen la estera.

Las primeras esteras microbianas probablemente recolectaron energía a través de reacciones redox (discutidas en otra parte) de los químicos que se encuentran cerca de los respiraderos hidrotermales. A respiradero hidrotermal es una rotura o fisura en la superficie de la Tierra que libera agua calentada geotérmicamente. Con la evolución de la fotosíntesis hace unos 3.000 millones de años, algunos organismos de las esteras microbianas empezaron a utilizar una fuente de energía más disponible, la luz solar, mientras que otros dependían de los productos químicos de los respiraderos hidrotermales para obtener energía y alimentos.

Figura 2. (a) Esta alfombra microbiana, de aproximadamente un metro de diámetro, crece sobre un respiradero hidrotermal en el Océano Pacífico en una región conocida como el "Anillo de Fuego del Pacífico". Las chimeneas, como la que muestra la flecha, permiten que los gases escapen. (b) En esta micrografía, las bacterias dentro de una esterason visualizadosutilizando microscopía de fluorescencia. (crédito a: modificación del trabajo del Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, científico jefe; créditoB: modificación del trabajo de Ricardo Murga, Rodney Donlan, CDC; datos de barra de escala de Matt Russell)

Estromatolitos

A estromatolito es una estructura sedimentaria que se forma cuando los minerales se precipitan fuera del aguadebido ala actividad metabólica de los organismos en una alfombra microbiana. Los estromatolitos forman rocas estratificadas hechas de carbonato o silicato. Aunque la mayoría de los estromatolitos son artefactos del pasado, hay lugares en la Tierra donde todavía se están formando estromatolitos. Por ejemplo, se han encontrado estromatolitos en crecimiento en el Parque Estatal del Desierto Anza-Borrego en el condado de San Diego, California.

Figura 3. (a) Estos estromatolitos vivientes se encuentran en Shark Bay, Australia. (b) Estos estromatolitos fosilizados, que se encuentran en el Parque Nacional Glacier, Montana, tienen casi 1.500 millones de años. (crédito a: Robert Young; créditoB: P. Carrara, NPS).

Las bacterias y las arqueas son adaptables: vida en ambientes moderados y extremos

Algunos organismos han desarrollado estrategias que les permiten sobrevivir en condiciones difíciles. Las bacterias y arqueas prosperan en una amplia gama de entornos: algunas crecen en condiciones que nos parecerían muy normales, mientras que otrasson capaces deprosperar y crecer en condiciones que matarían una planta o un animal. Casi todas las bacterias y arqueas tienenalguna forma deuna pared celular, una estructura protectora que les permite sobrevivir tanto en condiciones hiperosmóticas como hipoosmóticas. Algunas bacterias del sueloson capaces deforman endosporas que resisten el calor y la sequía,de este modopermitiendo que el organismo sobreviva hasta que se repitan condiciones más favorables. Estas adaptaciones, junto con otras, permiten que las bacterias sean las formas de vida más abundantes en todos los ecosistemas terrestres y acuáticos.

Algunas bacterias y arqueasestán adaptadoscrecer en condiciones extremas yson llamadosextremófilos, que significa "amantes de los extremos". Se han encontrado extremófilos en todo tipo de ambientes, como en las profundidades de los océanos y la tierra; en aguas termales, el Ártico y la Antártida; enMuy secolugares; en entornos químicos agresivos; y en entornos de alta radiación, solo por mencionar algunos. Estos organismos ayudan a comprender mejor la diversidad de la vida y abren la posibilidad de encontrar especies microbianas que puedan conducir al descubrimiento de nuevos fármacos terapéuticos o tener aplicaciones industriales. Debido a que tienen adaptaciones especializadas que les permiten vivir en condiciones extremas, muchos extremófilos no pueden sobrevivir en ambientes moderados. Existenmuchos diferentesgrupos deextremófilos.Están categorizadossegún las condiciones en las que crecen mejor, y varios hábitats son extremos en múltiples formas. Por ejemplo, un lago de soda es salado y alcalino, por lo que los organismos que viven en un lago de soda deben ser a la vez alcalófilos y halófilos. Otros extremófilos, como radiorresistente organismos, no prefieren un ambiente extremo (en este caso, uno con altos niveles de radiación) sino que se han adaptado para sobrevivir en él.


Posible discusión NB Punto: ¿Cómo lo hacen los extremófilos?

Acaba de leer que las bacterias del suelo pueden sobrevivir a través del calor y las sequías formando endosporas latentes resistentes al calor y a la sequía. Sin embargo, no todos los extremófilos forman endosporas como un medio para sobrevivir a sus propias duras condiciones ambientales. ¿Puedes pensar en otras estrategias que podrían haber desarrollado otros extremófilos? Elija una fila en la Tabla 1 (a continuación) y trate de pensar en algunos mecanismos creativos de supervivencia específicos para ese tipo de extremófilos.


tabla 1. Esta tabla enumera algunos extremófilos y sus condiciones preferidas.
Tipo extremófiloCondiciones para un crecimiento óptimo
AcidófilospH 3 o menos
AlcalófilospH 9 o superior
TermófilosTemperatura de 60 a 80 ° C (140 a 176 ° F)
HipertermófilosTemperatura de 80-122 ° C (176-250 ° F)
PsicrófilosTemperatura de-15° C (5 ° F) o menos
HalófilosConcentración de sal de al menos 0,2 M
OsmófilosAlta concentración de azúcar

Figura 4.Deinococcusradiodurans, visualizada en esta micrografía electrónica de transmisión de color falso, es una bacteria que puede tolerar dosis muy altas de radiación ionizante. Ha desarrollado mecanismos de reparación del ADN que le permiten reconstruir su cromosoma incluso sise ha rotoen cientos de pedazos por radiación o calor. (crédito: modificación del trabajo de Michael Daly; datos de barra de escala de Matt Russell)

Notas al pie

1. Battistuzzi, FU, Feijao, A y Hedges, SB. Una escala de tiempo genómica de la evolución de los procariotas: conocimientos sobre el origen de la metanogénesis,fototrofiay la colonización de la tierra. BioMed Central: Biología evolutiva 4 (2004): 44, doi: 10.1186 / 1471-2148-4-44.

Estructura celular de bacterias y arqueas.

En esta sección, discutiremos las características estructurales básicas tanto de las bacterias como de las arqueas. Existen muchas similitudes estructurales, morfológicas y fisiológicas entre las bacterias y las arqueas. Como se discutió en la sección anterior, estos microbios habitan muchos nichos ecológicos y llevan a cabo una gran diversidad de procesos bioquímicos y metabólicos. Tanto las bacterias como las arqueas carecen de un núcleo unido a la membrana y de orgánulos unidos a la membrana, que son características de los eucariotas.

Si bien las bacterias y las arqueas son dominios separados, morfológicamente compartenun numero decaracterísticas estructurales. Como resultado, se enfrentan a problemas similares, como el transporte de nutrientes al interior de la célula, la eliminación de material de desecho de la célula y la necesidad de responder a los rápidos cambios ambientales locales. En esta sección, nos centraremos en cómo su estructura celular común les permite prosperar en varios entornos y, al mismo tiempo, les impone restricciones.Una de las mayores limitaciones está relacionadaal tamaño de la celda.

Aunque las bacterias y arqueas se presentan en una variedad de formas, las tres formas más comunes soncomo sigue: cocos (esféricos), bacilos (en forma de varilla) y spirilli (en forma de espiral) (figura siguiente). Tanto las bacterias como las arqueas songeneralmentepequeño en comparación con los eucariotas típicos. Por ejemplo, la mayoría de las bacteriastienden a serdel orden de 0,2 a 1,0µm(micrómetros) de diámetro y 1-10µmen longitud. Sin embargo, existen excepciones. Epulopiscium fishelsoni es una bacteria en forma de bacilo que típicamente tiene 80µmde diámetro y 200-600µmlargo. Thiomargarita namibiensis es una bacteria esférica entre 100 y 750µmde diámetro y es visible a simple vista. En comparación, un neutrófilo humano típico tiene aproximadamente 50µmen diámetro.

Figura 1. Esta figura muestra las tres formas más comunes de bacterias y arqueas: (a) cocos (esféricos), (b) bacilos (en forma de varilla) y (c) espirilos (en forma de espiral).


Posible discusión NB Punto: ¿Por qué las bacterias y las arqueas son tan pequeñas de todos modos?

¿Por qué las bacterias y las arqueas suelen ser tan pequeñas? ¿Cuáles son las limitaciones que los mantienen de tamaño microscópico (es decir, qué impide que se agranden?) ¿Cómo entonces exactamente el relativamente gigante Thiomargarita namibiensis (que tiene un volumen celular que es tres millones de veces el volumen de una bacteria promedio y es visible a simple vista) y otras bacterias más grandes superan estas limitaciones? Pensar enposibleexplicaciones o hipótesis que puedan responder a estas preguntas.Exploraremos y desarrollaremos una comprensión de estas preguntas con más detalle a continuación y en clase.


La célula bacteriana y arquea: estructuras comunes

Introducción a la estructura celular básica

Las bacterias y las arqueas son organismos unicelulares, que carecen de estructuras internas unidas a la membrana que están desconectadas de la membrana plasmática, una membrana de fosfolípidos que define el límite entre el interior y el exterior de la célula. En las bacterias y las arqueas, la membrana citoplasmática también contiene todas las reacciones unidas a la membrana, incluidas las relacionadas con la cadena de transporte de electrones, la ATP sintasa y la fotosíntesis. Por definición, estas células carecen de núcleo. En cambio, su material genético se encuentra en un área autodefinida de la célula llamada nucleoide. El cromosoma bacteriano y arqueal es a menudo una molécula de ADN de doble hebra circular, cerrada covalentemente y simple. Sin embargo, algunas bacterias tienen cromosomas lineales, y algunas bacterias y arqueas tienen más de un cromosoma o pequeños elementos de replicación circular no esenciales del ADN llamados plásmidos. Además del nucleoide, la siguiente característica común es el citoplasma (o citosol), la región "acuosa" gelatinosa que abarca la parte interna de la célula. El citoplasma es donde ocurren las reacciones solubles (no asociadas a la membrana) y contiene los ribosomas, el complejo proteína-ARN donde se sintetizan las proteínas. Finalmente, muchas bacterias y arqueas también tienen paredes celulares, la característica estructural rígida que rodea la membrana plasmática y que ayuda a brindar protección y restringir la forma celular. Debería aprender a crear un esquema simple de una célula bacteriana o arquea general de memoria.

Figura 2. Se muestran las características de una célula procariota típica.

Restricciones en la célula bacteriana y arquea.

Uno común, casi universal,característicade bacterias y arqueas es que son pequeñas, microscópicas para ser exactos. Incluso los dos ejemplos dados como excepciones, Epulopisciumfishelsoni y ThiomargaritaNamibiensis, aún enfrentan las limitaciones básicas que enfrentan todas las bacterias y arqueas; ellossimplementeencontró estrategias únicas en torno al problema. Entonces, ¿cuál es la mayor restriccióncuando se trata delidiar con el tamaño de las bacterias y arqueas? Piense en lo que debe hacer la célula para sobrevivir.

Algunos requisitos básicos

Entonces, ¿qué tienen que hacer las células para sobrevivir? Necesitan transformar la energía en una forma utilizable. Esto implica producir ATP, mantener una membrana energizada y mantener la NAD productiva.+/ NADH2 ratios. Las células también necesitanser capaz desintetizar elapropiadomacromoléculas (proteínas, lípidos, polisacáridos, etc.)yotros componentes estructurales celulares. Para hacer esto, necesitanser capaz defabricar el núcleo, precursores clave de moléculas más complejas, o obtenerlas del medio ambiente.

Difusión y su importancia para las bacterias y arqueas.

El movimiento por difusión es pasivo y desciende por el gradiente de concentración. Para que los compuestos se muevan del exterior al interior de la célula, el compuesto debe poder cruzar la bicapa de fosfolípidos. Si la concentración de una sustancia es más baja dentro de la célula que en el exterior y tiene propiedades químicas que le permiten moverse a través de la membrana celular, ese compuesto se activará energéticamente.tiende amuévete a la celda. Si bien la historia "real" esun poquitomás complejo y seráser discutidocon más detalle más adelante, la difusión es unade los mecanismosbacterias y arqueasusarpara ayudar en el transporte de metabolitos.

La difusión también puedeser usado paradeshacerse de algunos materiales de desecho. A medida que los productos de desecho se acumulan dentro de la célula, su concentración aumenta en comparación con la del ambiente exterior y el producto de desecho puede salir de la célula. El movimiento dentro de la célula funciona de la misma manera: los compuestos se moverán hacia abajo en su gradiente de concentración, lejos de dondeson sintetizadosa lugares donde su concentración es baja y por lo tanto puedenser necesario. La difusión es un proceso aleatorio: la capacidad de dos compuestos o reactivos diferentes para que las reacciones químicas interactúen se convierte en un encuentro de azar. Por lo tanto, en espacios pequeños y confinados, las interacciones o colisiones aleatorias pueden ocurrir con más frecuencia que en espacios grandes.

La capacidad de difusión de un compuesto depende de la viscosidad del disolvente. Por ejemplo, es mucho más fácil para usted moverse en el aire que en el agua (piense en moverse bajo el agua en una piscina). Asimismo, es más fácil nadar en una piscina de agua que en una piscina llena de mantequilla de maní. Si pone una gota de colorante para alimentos en un vaso de agua, se difunde rápidamente hasta que todo el vaso cambia de color. Ahora, ¿qué crees que pasaría si pones esa misma gota de colorante para alimentos en un vaso de jarabe de maíz (muy viscoso y pegajoso)? Tomará mucho

más extenso

para que el vaso de sirope de maíz cambie de color.

La relevancia de estos ejemplos es

notar

que el citoplasma

tiende a ser

muy viscoso. Contiene muchas proteínas, metabolitos, pequeñas moléculas,

etc.

y tiene una viscosidad más parecida al jarabe de maíz que al agua. Por lo tanto, la difusión en las células es más lenta y más limitada de lo que se esperaba originalmente. Por lo tanto, si las células dependen únicamente de la difusión para mover los compuestos, ¿qué crees que sucede con la eficiencia de estos procesos a medida que las células aumentan de tamaño y sus volúmenes internos se hacen más grandes? ¿Existe un problema potencial para crecer tan

está relacionado

al proceso de difusión?

Entonces, ¿cómo se hacen más grandes las células?

Como probablemente concluyó de la discusión anterior, con células que dependen de la difusión para mover cosas alrededor de la célula, como bacterias y arqueas, el tamañosí importa. Entonces, ¿cómo supones? Epulopisciumfishelsoni y ThiomargaritaNamibiensis se hizo tan grande?Echar un vistazoen estosEnlaces,y vea cómo se ven estas bacterias morfológica y estructuralmente: Epulopisciumfishelsoni y ThiomargaritaNamibiensis.

Según lo que acabamos de comentar, para que las células crezcan,es decir,para que su volumen aumente, el transporte intracelular debe independizarse de alguna manera de la difusión. Uno de los grandes avances evolutivos fue la capacidad de las células (células eucariotas) para transportar compuestos y materiales de forma intracelular, independientemente de la difusión. La compartimentación también proporcionó una forma de localizar procesos en orgánulos más pequeños, lo que superó otro problema causado por el gran tamaño. La compartimentación y los complejos sistemas de transporte intracelular han permitido que las células eucariotas se vuelvan muy grandes.en comparacióna las células bacterianas y arqueales de difusión limitada. Discutiremos soluciones específicas a estos desafíos en las siguientes secciones.

Membranas

Las membranas plasmáticas encierran y definen los límites entre el interior y el exterior de las células. Ellosestán típicamente compuestosde dinámica bicapas de fosfolípidos en las que también se han formado otras moléculas y proteínas solubles en lípidos.sido incrustado. Estas bicapas son asimétricas: la hoja exterior se diferencia de la hoja interior en la composición de lípidos y en las proteínas y carbohidratos queson mostradosal interior o al exterior de la celda. Una función importante de la membrana celular externa es comunicar la identidad única de la célula a otras células. Las proteínas, lípidos y azúcares que se muestran en la membrana celular permiten que las célulasser detectadopor e interactuar con socios específicos.

Varios factores influyen en la fluidez, la permeabilidad y otras propiedades físicas de la membrana. Estos incluyen la temperatura, la configuración de las colas de ácidos grasos (algunos

están retorcidos

por dobles enlaces), esteroles (es decir, colesterol) incrustados en la membrana y la naturaleza en mosaico de las muchas proteínas incrustadas en ella. La membrana plasmática es "selectivamente permeable". Esto significa que solo permite el paso de algunas sustancias y excluye otras. Además, la membrana plasmática debe, a veces, ser lo suficientemente flexible para permitir que ciertas células, como las amebas, cambien de forma y dirección a medida que se mueven por el medio ambiente, cazando organismos unicelulares más pequeños.

Haga clic en el siguiente enlace para ver una ameba en acción: Video de caza de amebas

Membranas celulares

Un subobjetivo en nuestro desafío de diseño de "construir una celda" es crear un límite que separe el "interior" de la celda del entorno "exterior". Este límite debe cumplir múltiples funciones que incluyen:

  1. Actúa como una barrera al impedir que algunos compuestos entren y salgan de la célula.
  2. Ser selectivamente permeableen ordenpara transportar compuestos específicos dentro y fuera de la célula.
  3. Recibe, detecta y transmite señales del entorno al interior de la célula.
  4. Proyecta el "yo" a los demás comunicando identidad a otras células cercanas.

Figura 1. El diámetro de un globo típico es de 25 cm y el grosor del plástico del globo de alrededor de 0,25 mm. Esta es una diferencia de 1000X. Una célula eucariota típica tendrá un diámetro celular de aproximadamente50 µmy un espesor de membrana celular de 5 nm. Esta es una diferencia de 10,000X.


La relación entre el grosor de la membrana en comparación con el tamaño de una célula eucariota promedio es mucho mayor en comparación con la de un globo estirado con aire. PensareseEl límite entre vida y no vida es tan pequeño y aparentemente frágil, más que un globo, lo que sugiere que estructuralmente la membrana debe ser relativamente estable. Extraiga la información que ya hemos cubierto en esta clase para reflexionar sobre cómo las membranas celulares logran ser tan estables.

Modelo de mosaico fluido

El modelo de mosaico fluido describe el movimiento dinámico de lanumerosoproteínas, azúcares y lípidos incrustados en la membrana plasmática de la célula.

A veces es útil comenzar nuestra discusión recordando el tamaño de la membrana celular en relación con el tamaño de la célula completa.celda. Las membranas plasmáticas varían de 5 a 10Nuevo Méjicode espesor. A modo de comparación, los glóbulos rojos humanos, visibles mediante microscopía óptica, son aproximadamente 8µmde ancho, o aproximadamente 1.000 veces más ancho que el grosor de una membrana plasmática. Esto significa que la barrera celular es muy delgada en comparación con el tamaño del volumen que encierra. A pesar de esta espectacular diferencia de tamaño, la membrana celular debesin embargotodavía lleva a cabo sus capacidades clave de barrera, transporte y reconocimiento celular y, por lo tanto, debe ser una estructura relativamente “sofisticada” y dinámica.

Figura 2. El modelo de mosaico fluido de la membrana plasmática describe la membrana plasmática como una combinación fluida de fosfolípidos, colesterol y proteínas. Carbohidratos unidos a lípidos (glicolípidos) yparalas proteínas (glicoproteínas) se extienden desde la superficie de la membrana que mira hacia afuera.

Los componentes principales de una membrana plasmática son lípidos (fosfolípidos y colesterol), proteinas, y carbohidratos. Los carbohidratos están presentes solo en la superficie exterior de la membrana plasmática yestán adjuntosa las proteínas, formando glucoproteínas, oparalípidos, formando glicolípidos. Las proporciones de proteínas, lípidos y carbohidratos en la membrana plasmática pueden variar según el organismo y el tipo de célula. En una célula humana típica, las proteínas representan un 50 por ciento masivo de la composición en masa, los lípidos (de todos los tipos) representan aproximadamente el 40 por ciento de la composición en masa y los carbohidratos representan el 10 por ciento restante de la composición en masa. Sin embargo, la especialización funcional celular puede hacer que estas proporciones de componentes varíen drásticamente. Por ejemplo, la mielina, una excrecencia de la membrana de células especializadas, aísla los axones de los nervios periféricos, contiene solo un 18 por ciento de proteínas y un 76 por ciento de lípidos.Por el contrario, elLa membrana interna mitocondrial contiene un 76 por ciento de proteínas y solo un 24 por ciento de lípidos y la membrana plasmática de los glóbulos rojos humanos es un 30 por ciento de lípidos.

Fosfolípidos

Fosfolípidos son componentes principales de la membrana celular. Fosfolípidos están hechos de glicerol columna vertebral a la que doscolas de ácidos grasos y un grupo fosfatohan sido adjuntados- Uno paraCada uno decada uno de los átomos de carbonos de glicerol. Por tanto, el fosfolípido es un anfipático molécula, lo que significa que tiene una parte hidrofóbica (colas de ácidos grasos) y una parte hidrofílica (grupo de cabeza de fosfato).

Asegúrese de observar en la Figura 3 a continuación que el grupo fosfato tiene un grupo R unido a uno de los átomos de oxígeno. R es una variable comúnmente utilizada en este tipo de diagramas para indicar que algún otro átomo o molécula está unido en esa posición. Esa parte de la molécula puede ser diferente en diferentes fosfolípidos, e impartirá una química diferente a toda la molécula. Sin embargo, por el momento, usted es responsable de poder reconocer este tipo de molécula (sin importar cuál sea el grupo R) debido a los elementos centrales comunes: la columna vertebral de glicerol, el grupo fosfato y las dos colas de hidrocarburos.

figura 3. Un fosfolípido es una molécula con dos ácidos grasos y unmodificadogrupo fosfato unido a una columna vertebral de glicerol.El fosfato puede modificarse mediante la adición de grupos químicos cargados o polares.. Varios grupos R químicos puedenmodificarel fosfato. Colina, serina y etanolaminason exhibidosaquí. Estos se unen al grupo fosfato en la posición marcada R a través de sus grupos hidroxilo.
Atribución:Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Cuando muchos fosfolípidosestán juntos expuestosen un entorno acuoso, pueden organizarse espontáneamente en varias estructuras, incluidas micelas y bicapas de fosfolípidos. Esta última es la estructura básica de la membrana celular. En una bicapa de fosfolípidos, los fosfolípidos se asocian entre sí en dosopuestohojas. En cada hoja, las partes apolares de los fosfolípidos miran hacia adentro una hacia la otra, componiendo la parte interna de la membrana, y los grupos de cabezas polares se enfrentan de manera opuesta a los ambientes acuosos extracelulares e intracelulares.


Posible discusión NB Punto

Anteriormente en el curso, discutimos la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía general del universo siempre está aumentando. Aplicar esta ley en el contexto de la formación de la membrana bicapa lipídica. ¿Cómo es posible que los lípidos puedan organizarse espontáneamente en una estructura tan organizada en lugar de dispersarse en un estado más desordenado? O, en otras palabras, si la segunda ley es cierta, ¿cómo es que la organización espontánea de los lípidos conduce a un aumento de la entropía?


Figura 4. En presencia de agua, algunos fosfolípidos se organizarán espontáneamente en una micela.Los lípidos se arreglaránde manera que sus grupos polares estarán en el exterior de la micela, y las colas no polares estarán en el interior. También se puede formar una bicapa lipídica, una hoja de dos capas de solo unos pocos nanómetros de espesor. La bicapa lipídicaconsiste endos capas de fosfolípidos organizadas de manera que todas las colas hidrofóbicas se alineen una al lado de la otra en el centro de la bicapa yestán rodeadospor los grupos de cabeza hidrófilos.
Fuente: Creado por Erin Easlon (trabajo propio)

Las proteínas constituyen el segundo componente principal de las membranas plasmáticas. Proteínas integrales de membrana, como sugiere su nombre, se integran completamente en la estructura de la membrana, y sus regiones hidrófobas que atraviesan la membrana interactúan con la región hidrófoba de la bicapa de fosfolípidos.

Algunas proteínas de membrana se asocian con solo la mitad de la bicapa, mientras que otras se extienden de un lado de la membrana al otro, yestán expuestosal medio ambiente a ambos lados. Las proteínas integrales de membrana pueden tener uno o más segmentos transmembrana típicamenteque consiste en20-25 aminoácidos. Dentro de los segmentos transmembrana, los grupos variables de aminoácidos hidrófobos se organizan para formar una superficie químicamente complementaria a las colas hidrófobas de los lípidos de la membrana.

Proteínas periféricasse encuentranen un solo lado de la membrana, pero nunca incrustar en la membrana. Pueden estar en el lado intracelular o extracelular, y asociarse débil o temporalmente con las membranas.

Figura 5. Las proteínas de las membranas integrales pueden tener uno o másα-helices (cilindros rosas) que atraviesan la membrana (ejemplos 1 y 2), o pueden tener β-hojas (rectángulos azules) que atraviesan la membrana (ejemplo 3). (crédito: "Foobar" / Wikimedia Commons)

Carbohidratos

Los carbohidratos son un tercer componente principal de las membranas plasmáticas. Ellosestánsiemprefundaren la superficie exterior de las células yestán obligadosya sea a proteínas (que forman glicoproteínas) oparalípidos (que forman glicolípidos).Estos carbohidratoslas cadenas puedenconsiste en2-60 unidades de monosacáridos y se puedencualquieralineal o ramificada. Junto con las proteínas periféricas, los carbohidratos forman sitios especializados en la superficie celular que permiten que las células se reconozcan entre sí.(uno de los requisitos funcionales básicos mencionados anteriormente.

Fluidez de la membrana

Las proteínas y lípidos integrales existen en la membrana como moléculas separadas y "flotan" en la membrana, moviéndosecon respecto aunos y otros. Sin embargo, la membrana no es como un globo; Debido a las propiedades elásticas de su plástico, un globo puede crecer y encoger fácilmente su superficie sin estallar y al mismo tiempo mantener la misma forma circular rugosa.Por el contrario, elmembrana de plasmano es capaz desoportar estiramiento o compresión isotrópica y puedeser fácilmente reventadocuando un desequilibrio de soluto entre el interior y el exterior hace que el agua entre repentinamente. Una pérdida repentina de agua hará que se arrugue y se arrugue, cambiando drásticamente la forma de la célula.esoes bastante rígido y puede reventar si se penetra o si una celda absorbe demasiada agua yla membrana se estiraMuy lejos. Sin embargo, debido a su naturaleza de mosaico, una aguja muy fina puede penetrar fácilmente una membrana plasmática sin hacer que estalle (los lípidos fluyen alrededor de la punta de la aguja), y la membrana se sellará automáticamente cuando la agujase extrae.

Diferentes organismos y tipos de células en organismos multicelulares pueden sintonizar la fluidez de su membrana para que sea más compatible con funciones especializadas y / o en respuesta a factores ambientales. Esta sintonía puedeser logradoajustando el tipo y la concentración de varios componentes de la membrana, incluidos los lípidos, sugrado desaturación, los lípidos, sugrado desaturación, las proteínas y otras moléculas como el colesterol. Hay otros dos factores que ayudan a mantener esta característica de fluido. Un factor es la naturaleza de los propios fosfolípidos. En su forma saturada, los ácidos grasos en las colas de fosfolípidos están saturados con átomos de hidrógeno. No hay dobles enlaces entre los átomos de carbono adyacentes, lo que da como resultado colas que son relativamente rectas.Por el contrario, insaturadoslos ácidos grasos no tienen un complemento completo de átomos de hidrógeno en sus colas de ácidos grasos y, por lo tanto, contienen algunos enlaces dobles entre átomos de carbono adyacentes; un doble enlace da como resultado un doblez en la cadena de carbonos de aproximadamente 30 grados.

Figura 6.Cualquier membrana celular dada estará compuestade una combinación de fosfolípidos saturados e insaturados. La proporción de los dos influirá en la permeabilidad y fluidez de la membrana. Una membrana compuesta decompletamenteLos lípidos saturados serán densos y menos fluidos, y una membrana compuesta decompletamentelos lípidos insaturados serán muy sueltos y muy fluidos.


Ácidos grasos saturados, con colas rectas,están comprimidosal disminuir las temperaturas, y se presionarán entre sí, formando una membrana densa y bastante rígida. Por el contrario, cuando los ácidos grasos insaturadosestán comprimidos, las colas "retorcidas" se alejan del codo adyacente a las moléculas de fosfolípidos, manteniendo algo de espacio entre las moléculas de fosfolípidos. Este "espacio para los codos" ayuda a mantener la fluidez en la membrana a temperaturas a las que las membranas con altas concentraciones de colas de ácidos grasos saturados se "congelarían" o solidificarían. La fluidez relativa de la membrana esparticularmenteimportante en un ambiente frío. Muchos organismos (los peces son un ejemplo)son capaces de adaptarsea ambientes fríos al cambiar la proporción de ácidos grasos insaturados en sus membranas en respuesta al descenso de la temperatura.

Colesterol

Las células animales tienen colesterol, un componente adicional de la membrana queayuda a mantenerfluidez. Colesterol, que se encuentra justo entre los fosfolípidos en elmembrana,tiende a humedecerlos efectos de la temperatura en la membrana.El colesterol endurece y aumenta la fluidez de la membrana, dependiendo de la temperatura. Las bajas temperaturas hacen que los fosfolípidos se compacten con más fuerza, creando una membrana más rígida.En este caso, las moléculas de colesterolservir paraespaciar los fosfolípidos y evitar que la membrana se conviertatotalmenterígido. Por el contrario, las temperaturas más altas contribuyen a que los fosfolípidos se alejen más entre sí y, por lo tanto, a una membrana más fluida, pero las moléculas de colesterol en la membrana ocupan espacio y evitan la disociación completa de los fosfolípidos.

Por tanto, el colesterol amplía, en ambas direcciones, el intervalo de temperatura en el que la membrana es adecuadamente fluida y, en consecuencia, funcional. El colesterol también tiene otras funciones, como organizar grupos de proteínas transmembrana en balsas de lípidos.

Figura 7. El colesterol encaja entre los grupos fosfolípidos dentro de la membrana.

Revisión de los componentes de la membrana.

Membranas arqueales

Una diferencia importante que distingue a las arqueas de los eucariotas y las bacterias es la composición de lípidos de su membrana. Aunque los eucariotas, las bacterias y las arqueas usan cadenas principales de glicerol en los lípidos de sus membranas, las arqueas usan largas cadenas isoprenoides (20-40 carbonosen longitud, derivado del lípido de cinco carbonos isopreno) eseestán adjuntosvía éter enlaces al glicerol, mientras que los eucariotas y las bacterias tienen ácidos grasos unidos al glicerol a través de ester vínculos.

Los grupos de cabezas polares difieren según el género o especie de Archaea yconsiste enmezclas de grupos glico (principalmente disacáridos) y / o grupos fosfo principalmente de fosfoglicerol, fosfoserina, fosfoetanolamina o fosfoinositol. La estabilidad inherente y las características únicas de los lípidos de las arqueas los han convertido en un biomarcador útil para las arqueas en muestras ambientales, aunque ahora se utilizan con mayor frecuencia enfoques basados ​​en marcadores genéticos.

Una segunda diferencia entre las membranas bacterianas y arqueales queestá asociadocon algunos arqueas esla presencia demembranas monocapa, como se muestra a continuación. Observe que la cadena isoprenoide está unida a las cadenas principales de glicerol en ambos extremos, formando una sola molécula.que consiste endos grupos de cabezas polares unidos a través de dos cadenas isoprenoides.

Figura 8. La superficie exterior de la membrana plasmática de arqueas no es idéntica a la superficie interior de la misma membrana.

Figura 9. Comparaciones de diferentestipos delípidos arqueales y lípidos bacterianos / eucariotas

Transporte a través de la membrana

Problema y subproblemas de desafío de diseño

Problema general: La membrana celular debe actuar simultáneamente como una barrera entre "IN" y "OUT" y controlar específicamente cuales sustancias entran y salen de la célula y con qué rapidez y eficacia lo hacen.

Subproblemas: Las propiedades químicas de las moléculas que deben entrar y salir de la célula son muy variables. Algunos subproblemas asociados con esto son: (a) Las moléculas grandes y pequeñas o conjuntos de moléculas deben poder atravesar la membrana. (b) Tanto las sustancias hidrófobas como las hidrófilas deben tener acceso al transporte. (c) Las sustancias deben poder atravesar la membrana con y contra gradientes de concentración. (d) Algunas moléculas tienen un aspecto muy similar (p. ej.N / A+ y K+) pero los mecanismos de transporte aún deben poder distinguir entre ellos.

Perspectiva de la historia de la energía

Podemos considerar el transporte a través de una membrana desde la perspectiva de una historia energética; es un procesodespués de todo. Por ejemplo, al comienzo del proceso, una sustancia X genérica puede estar dentro o fuera de la célula. Al final del proceso, la sustancia estará en el lado opuesto al que comenzó.

p.ej. X(en) ---> X(fuera),

donde dentro y fuera se refieren al interior de la celda y al exterior de la celda,respectivamente.

Aal principio, el asunto en el sistema podríaser muy complicadocolección de moléculas dentro y fuera de la célula pero con una molécula de X más dentro de la célula que fuera. Al final, hay una molécula más de X en el exterior de la célula y una menos en el interior. La energía en el sistema al principio.está almacenadoprincipalmente en las estructuras moleculares y sus movimientos y en los desequilibrios de concentración eléctricos y químicos a través de la membrana celular. El transporte de X fuera de la célula no cambiará significativamente las energías de las estructuras moleculares, pero cambiará la energía asociada con el desequilibrio de concentración o carga a través de la membrana. Es decir, el transporte, como todas las demás reacciones, será exergónico o endergónico. Finalmente, algunos mecanismos o conjuntos de mecanismos de transporte necesitaránser descrito.


Permeabilidad selectiva

Una de las grandes maravillas de la membrana celular es su capacidad para regular la concentración de sustancias dentro de la célula. Estas sustancias incluyen: iones como Ca2+,N / A+, K+y Cl; nutrientes que incluyen azúcares, ácidos grasos y aminoácidos; y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO2), que debe salir de la celda.

La estructura bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos se compactan firmemente y la membrana tiene un interior hidrofóbico. Esta estructura por sí sola crealo que se conoce comoa selectivamente permeable barrera, que solo permite que las sustancias que cumplan ciertos criterios físicos pasen a través de ella. En elcaso de la celdamembrana, sólo los materiales no polares relativamente pequeños pueden moverse a través de la bicapa lipídica a velocidades biológicamente relevantes (recuerde, las colas lipídicas de la membrana son apolares).

Permeabilidad selectiva de la membrana celular se refiere a su capacidad para diferenciar entre diferentes moléculas, permitiendo solo el paso de algunas moléculas mientras bloquea otras. Parte de esta propiedad selectiva proviene de las velocidades de difusión intrínsecas de diferentes moléculas a través de una membrana. Un segundo factor que afecta las velocidades relativas de movimiento de varias sustancias a través de una membrana biológica es la actividad de varios transportadores de membrana basados ​​en proteínas, tanto pasivos como activos, queser discutidocon más detalle en las secciones siguientes. Primero, asumimos la noción de tasas intrínsecas de difusión a través de la membrana.

Permeabilidad relativa

El hecho de que diferentes sustancias puedan atravesar una membrana biológica a diferentes velocidades debería ser relativamente intuitivo. Existen diferencias en la composición del mosaico de las membranas en biología y diferencias en los tamaños, la flexibilidad y las propiedades químicas de las moléculas, por lo quees lógico quelas tasas de permeabilidad varían. Es un paisaje complicado. La permeabilidad de una sustancia a través de una membrana biológica puedemedirseexperimentalmente y podemos informar la tasa de movimiento a través de una membrana enlo que se conoce comocoeficientes de permeabilidad de la membrana.

Coeficientes de permeabilidad de la membrana

A continuación, trazamos una variedad de compuestos.

con respecto a

sus coeficientes de permeabilidad de la membrana (MPC) medidos frente a una simple aproximación bioquímica de una membrana biológica real. El coeficiente de permeabilidad informado para este sistema es la velocidad a la que se produce la difusión simple a través de una membrana y

esta reportado

en unidades de centímetros por segundo (cm / s). El coeficiente de permeabilidad es proporcional al coeficiente de partición e inversamente proporcional al espesor de la membrana.

Es importante que pueda leer e interpretar el siguiente diagrama. Cuanto mayor sea el coeficiente, más permeable será la membrana al soluto. Por ejemplo, el ácido hexanoico es muy permeable, un MPC de 0,9; El ácido acético, el agua y el etanol tienen MPC entre 0.01 y 0.001, y son menos permeables que el ácido hexanoico. Mientras que

iones,

como el sodio

N / A

+), tiene un MPC de 10-12

,

y cruzar la membrana a una velocidad comparativamente lenta.

Figura 1. Diagrama del coeficiente de permeabilidad de la membrana. El diagramafue tomadadeBioWikiy puedeser encontradoa http://biowiki.ucdavis.edu/Bioquímica...e_Permeabilidad.

Si bien existen ciertas tendencias o propiedades químicas que puedenestar aproximadamente asociadocon una permeabilidad compuesta diferente (las cosas pequeñas pasan "rápido", las cosas grandes "lentamente", las cosas sin carga, etc.), advertimos contra la generalización excesiva. Los determinantes moleculares de la permeabilidad de la membrana.son complicadose involucran muchos factores que incluyen: la composición específica de la membrana, temperatura, composición iónica, hidratación; las propiedades químicas del soluto; las posibles interacciones químicas entre el soluto en solución y en la membrana; las propiedades dieléctricas de los materiales; y las compensaciones energéticas asociadas con el movimiento de sustancias dentro y fuera de varios entornos. Entonces, en esta clase, en lugar de intentar aplicar "reglas" y tratar de desarrollar demasiados "cortes" arbitrarios, nos esforzaremos por desarrollar un sentido general de algunas propiedades que pueden influir en la permeabilidad y dejar la asignación de permeabilidad absoluta a tasas informadas experimentalmente. Además, también intentaremos minimizar el uso de vocabulario que depende de un marco de referencia. Por ejemplo, decir que el compuesto A se difunde "rápidamente" o "lentamente" a través de una bicapa solo significa algo si los términos "rápido" o "lento"están definidos numéricamenteose entiende el contexto biológico.

Ósmosis

Ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable según el gradiente de concentración de agua a través de la membrana, que es inversamente proporcional a la concentración de solutos. Mientras que la difusión transporta material a través de las membranas y dentro de las células, la ósmosis transporta solo agua a través de una membrana y la membrana limita la difusión de solutos en el agua. Las acuaporinas que facilitan el movimiento del agua juegan un papel importante en la ósmosis, principalmente en los glóbulos rojos y las membranas de los túbulos renales.

Mecanismo

La ósmosis es un caso especial de difusión. El agua, como otras sustancias, se mueve de un área de alta concentración a una de baja concentración. Una pregunta obviaqué eshace que el agua se mueva? Imagínese un vaso de precipitados con una membrana semipermeable que separa los dos lados o mitades. En ambos lados de la membrana, el nivel del agua es el mismo, pero hay diferentes concentraciones de una sustancia disuelta, o sustancia disoluta, que no puede atravesar la membrana (de lo contrario, las concentraciones en cada ladoestar equilibradopor el soluto que atraviesa la membrana). Si el volumen de la solución en ambos lados de la membrana es el mismo, pero las concentraciones de soluto son diferentes, entonces hay diferentes cantidades de agua, el solvente, en cada lado de la membrana.

Figura 8. En ósmosis, el agua siempre se mueve de un área de mayor concentración de agua a una de menor concentración. En el diagrama que se muestra, el soluto no puede atravesar la membrana selectivamente permeable, pero el agua sí.

Para ilustrar esto, imagine dos vasos llenos de agua. Uno tiene una sola cucharadita de azúcar, mientras que el segundo contiene un cuarto de taza de azúcar. Si el volumen total de las soluciones en ambas tazas es el mismo, ¿cuál taza contiene más agua? Debido a que la gran cantidad de azúcar en la segunda taza ocupa mucho más espacio que la cucharadita de azúcar en la primera taza, la primera taza contiene más agua.

Volviendo al ejemplo del vaso de precipitados, recuerde que tiene una mezcla de solutos a cada lado de la membrana. Un principio de difusión es que las moléculas se mueven y se esparcirán uniformemente por todo el medio si pueden. Sin embargo, solo el material capaz de atravesar la membrana se difundirá a través de ella. En este ejemplo, el soluto no puede difundirse a través de la membrana, pero el agua sí. El agua tiene un gradiente de concentración en este sistema. Por lo tanto, el agua se difundirá por su gradiente de concentración, cruzando la membrana hacia el lado donde está menos concentrada. Esta difusión de agua a través de la membrana, la ósmosis, continuará hasta que el gradiente de concentración de agua llegue a cero o hasta que la presión hidrostática del agua equilibre la presión osmótica. La ósmosis procede constantemente en los sistemas vivos.

Tonicidad

Tonicidad describe cómo una solución extracelular puede cambiar el volumen de una célula al afectar la ósmosis. La tonicidad de una solución a menudo se correlaciona directamente con la osmolaridad de la solución. Osmolaridad describe la concentración total de soluto de la solución. Una solución con baja osmolaridad tiene un mayor número de moléculas de agua en relación con el número de partículas de soluto; una solución con alta osmolaridad hamenosmoléculas de aguacon respecto apartículas de soluto. En una situación en la que soluciones de dos osmolaridades diferentesestán separadospor una membrana permeable al agua, aunque no al soluto, el agua se moverá desde el lado de la membrana con menor osmolaridad (y más agua) hacia el lado con mayor osmolaridad (y menos agua). Este efecto tiene sentido si recuerda que el soluto no puede moverse a través de la membrana y, por lo tanto, el único componente del sistema que puede moverse, el agua, se mueve a lo largo de su propio gradiente de concentración. Una distinción importante que concierne a los sistemas vivos es que la osmolaridad mide el número de partículas (que pueden ser moléculas) en una solución. Por tanto, una soluciónes decirturbio con células puede tener una osmolaridad más baja que una solución que es transparente si la segunda solución contiene más moléculas disueltas que células.

Para ver un video que ilustra el proceso de difusión de soluciones, visite este sitio.

Soluciones hipotónicas

Se utilizan tres términos, hipotónico, isotónico e hipertónico, para relacionar la osmolaridad de una célula con la osmolaridad del líquido extracelular que contiene las células. en un hipotónicosituación, el líquido extracelular hamás bajoosmolaridad que el líquido dentro de la célula, y el agua entra en la célula (en los sistemas vivos, el punto de referencia es siempre el citoplasma, por lo que el prefijo hipo- significa que el líquido extracelular tiene una menor concentración de solutos, o una menor osmolaridad, que el citoplasma celular). También significa que el líquido extracelular tiene una mayor concentración de agua en la solución que la célula. En esta situación, el agua seguirá su gradiente de concentración y entrará en la celda.

Soluciones hipertónicas

En cuanto a un hipertónico solución, el prefijo hiper- se refiere al líquido extracelular que tiene una osmolaridad más alta que el citoplasma de la célula; por lo tanto, el líquido contiene menos agua que la celda. Debido a que la celda tiene una concentración de agua relativamente más alta, el agua saldrá de la celda.

Soluciones isotónicas

En un isotónico solución, el líquido extracelular tiene la misma osmolaridad que la célula. Si la osmolaridad de la célula coincide con la del líquido extracelular, no habrá movimiento neto de agua dentro o fuera de la célula, aunque el agua seguirá entrando y saliendo. Las células sanguíneas y las células vegetales en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas adquieren un aspecto característico; consulte la Figura 9 a continuación.


Figura 9. La presión osmótica cambia la forma de los glóbulos rojos en soluciones hipertónicas, isotónicas e hipotónicas. (crédito: Mariana Ruiz Villareal)


Posible discusión NB Punto

Por supuesto que existe algo como beber muy poca agua ... pero ¿hay algo como beber demasiada agua? Discuta lo que cree que sucede cuando bebe una cantidad excesiva de agua: ¿qué está sucediendo a nivel de la membrana celular? ¿Qué está pasando con el tamaño de la celda? ¿Beber demasiada agua es realmente un peligro para la salud? Predice lo que sucedería si cambiamos la bebida a Gatorade en lugar de agua.


Tonicidad en sistemas vivos

En un entorno hipotónico, el agua entra en una célula y la célula se hincha. En una condición isotónica, las concentraciones relativas de soluto y solvente son iguales en ambos lados de la membrana. No hay movimiento neto de agua; por lo tanto, no hay ningún cambio en el tamaño de la celda. En una solución hipertónica, el agua sale de una célula y la célula se encoge. Si la hipo o la hipercondición se vuelven excesivas, las funciones de la célula se ven comprometidas y la célula puede ser destruida.

Un glóbulo rojo estallará, o se lisará, cuando se hincha más allá de la capacidad de expansión de la membrana plasmática. Recuerde, la membrana se asemeja a un mosaico, con espacios discretos entre las moléculas que la componen. Si la célula se hincha y los espacios entre los lípidos y las proteínas se vuelven demasiado grandes, la célula se romperá.

Por el contrario, cuando una cantidad excesiva de agua deja un glóbulo rojo, la célula se encoge. Esto tiene el efecto de concentrar los solutos que quedan en la célula, haciendo que el citosol sea más denso e interfiriendo con la difusión dentro de la célula. La capacidad de la célula para funcionarestar comprometidoy también puede resultar en la muerte de la célula.

Varios seres vivos tienen formas de controlar los efectos de la ósmosis, un mecanismo llamado osmorregulación. Algunos organismos, como plantas, hongos, bacterias y algunos protistas, tienen paredes celulares que rodean la membrana plasmática y previenen la lisis celular en una solución hipotónica. La membrana plasmática solo puede expandirse hasta el límite de la pared celular, por lo que la célula no se lisará.De hecho, el citoplasma de las plantas siempre es ligeramente hipertónico al entorno celular y el agua siempre entrará en una célula si hay agua disponible. Esta entrada de agua produce una presión de turgencia que endurece las paredes celulares de la planta. En plantas no leñosas, la presión de turgencia apoya la planta. Por el contrario, si la planta no se riega, el líquido extracelular se volverá hipertónico, lo que hará que el agua salga de la célula. En esta condición, la celda no se encoge porque la pared celular no es flexible. Sin embargo, la membrana celular se desprende de la pared y contrae el citoplasma. Se llama plasmólisis. Las plantas pierden presión de turgencia en esta condición y se marchitan.

Figura 10. La presión de turgencia dentro de una célula vegetal depende de la tonicidad de la solución en la que se baña. (Crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

Figura 11. Sin agua adecuada, la planta de la izquierda ha perdido la presión de turgencia, visible en su marchitamiento; la presión de turgencia se restaura regando (derecha). (crédito: Victor M. Vicente Selvas)

La tonicidad es una preocupación para todos los seres vivos. Por ejemplo, los paramecios y las amebas, que son protistas que carecen de paredes celulares, tienen vacuolas contráctiles. Esta vesícula recoge el exceso de agua de la célula y la bombea, evitando que la célula explote al absorber agua de su entorno.

Figura 12. La vacuola contráctil de un paramecio, aquí visualizada mediante microscopía de luz de campo brillante con un aumento de 480x, bombea continuamente agua fuera del cuerpo del organismo para evitar que estalle en un medio hipotónico. (crédito: modificación del trabajo de NIH; datos de barra de escala de Matt Russell)

Muchos invertebrados marinos tienen niveles internos de sal que se adaptan a su entorno, lo que los hace isotónicos con el agua en la que viven. Los peces, sin embargo, deben gastar aproximadamente el cinco por ciento de su energía metabólica para mantener la homeostasis osmótica. Los peces de agua dulce viven en un ambiente que es hipotónico para sus células. Estos peces ingieren sal activamente a través de sus branquias y excretan orina diluida para eliminar el exceso de agua. Los peces de agua salada viven en el ambiente inverso, que es hipertónico a sus células, y secretan sal a través de sus branquias y excretan orina altamente concentrada.

En los vertebrados, los riñones regulan la cantidad de agua en el cuerpo. Los osmorreceptores son células especializadas en el cerebro que controlan la concentración de solutos en la sangre. Si los niveles de solutos aumentan más allá de cierto rango, se libera una hormona que retarda la pérdida de agua a través del riñón y diluye la sangre a niveles más seguros. Los animales también tienen altas concentraciones de albúmina, que es producida por el hígado, en su sangre. Esta proteína es demasiado grande para pasar fácilmente a través de las membranas plasmáticas y es un factor importante en el control de las presiones osmóticas aplicadas a los tejidos.

Los componentes y funciones de la membrana plasmática.
ComponenteLocalización
FosfolípidoTejido principal de la membrana
ColesterolEntre los fosfolípidos y entre las dos capas de fosfolípidos de las células animales.
Proteínas integrales (por ejemplo, integrinas)Incrustado dentro de la (s) capa (s) de fosfolípidos; puede o no penetrar a través de ambas capas
Proteínas periféricasEn la superficie interior o exterior de la bicapa de fosfolípidos; no incrustado dentro de los fosfolípidos
Carbohidratos (componentes de glicoproteínas y glicolípidos)Generalmente unido a proteínas en la capa exterior de la membrana.