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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
ldquoTRANSLATION OF CHAPTERS 2 AND 3 OF THE BOOK ESSENTIALS OF ANATOMY AND PHYSIOLOGY 2
ND
EDITIONrdquo
PRESENTADO POR
Joseacute Heacutector Nolasco Pacheco
Carnet NP71005
TRABAJO DE GRADUACIOacuteN PARA OPTAR AL TIacuteTULO
DE
Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
DOCENTE ASESOR
Mat Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
San Salvador 14 de mayo de 2010
ii
AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
Ing Rufino Antonio Quezada Saacutenchez
RECTOR
Arq Miguel Aacutengel Peacuterez Ramos
VICE-RECTOR ACADEacuteMICO
Maacutester Oscar Noeacute Navarrete Romero
VICE-RECTOR ADMINISTRATIVO
Lic Douglas Vladimir Alfaro Chaacutevez
SECRETARIO GENERAL
AUTORIDADES DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Lic Raymundo Calderoacuten Moraacuten
DECANO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Dr Carlos Roberto Paz Manzano
VICE DECANO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Maacutester Julio Cesar Grande Rivera
SECRETARIO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
AUTORIDADES DEL DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
Mti Edgar Nicolaacutes Ayala
JEFE DEL DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
Mat Rhina Franco Ramos
COORDINADOR GENERAL DEL PROCESO DE GRADUACIOacuteN
Mat Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
Asesor del Proceso de Graduacioacuten
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi esposa Lic Antonia Luisa Garciacutea Cheacutevez de Nolasco
Por su constante apoyo aliento y solidaridad para que completara con eacutexito esta
meta
A mis hijas Alejandra Mariacutea e Irene Beatriz a mis hijos Heacutector Alejandro y Rafael
Antonio
Por el entusiasmo y solidaridad mostrados a mi persona durante todo el trayecto
de mis estudios
A mi madre Cecilia del Carmen Pacheco Viuda de Nolasco
Por animarme a continuar con mis estudios y proporcionarme fortaleza
A mis profesores del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por los conocimientos y experiencias que compartieron conmigo de manera
incondicional
A mis compantildeeros del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por su amistad entusiasmo y cooperacioacuten desinteresada para que este proceso
tuviese un final feliz
A mi asesor Lic Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
Por su paciencia su apoyo su sabiduriacutea y tiempo brindados a mi persona durante
la ejecucioacuten de este proyecto
Al Lic Salvador Octavio Montes Director de la Biblioteca de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador Por haberme brindado su confianza en la ejecucioacuten de este proyecto y por toda su colaboracioacuten
iv
TABLA DE CONTENIDOS
I Introduccioacuten
II Objetivos
III Justificacioacuten
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
A Capiacutetulo 2- La Quiacutemica de la Vida
B Capiacutetulo 3- Estructura de la Ceacutelula y sus Funciones
VII Referencias
v
I Introduccioacuten
El propoacutesito del presente proyecto consiste en proporcionar a los estudiantes de
Anatomiacutea y Fisiologiacutea de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador
de una versioacuten en espantildeol de un libro escrito en ingleacutes que es de mucha utilidad
tanto para los estudiantes como para los profesores de de la facultad de medicina
de la Universidad de El Salvador la traduccioacuten completa del libro Essentials of
Anatomy
and Physiology 2nd Edition se ha planeado completarla entre todos los estudiantes
de la Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes de la Cohorte 2007-
2008 aquiacute se presenta la traduccioacuten de los capiacutetulos 2 y 3
II Objetivos
Objetivo General
Propiciar el contacto de la Facultad de Ciencias y Humanidades con las demaacutes
unidades acadeacutemicas de la Universidad de El Salvador para la promocioacuten del
caraacutecter acadeacutemico y profesional de la Universidad de El Salvador ademaacutes de
promover el desarrollo acadeacutemico y cientiacutefico de la misma
Objetivos Especiacuteficos
Contribuir con la formacioacuten acadeacutemica de los alumnos de la Facultad de Medicina
de la Universidad de El Salvador proveyeacutendolos de la traduccioacuten del ingleacutes al
espantildeol de los capiacutetulos 2 y 3 del libro ldquoEssentials of Anatomy and Physiologyrdquo 2nd
Edition
Apoyar a los docentes de la asignatura Anatomiacutea y Fisiologiacutea la Facultad de
Medicina de la Universidad de El Salvador proveyeacutendoles de un texto en espantildeol
originalmente escrito en ingleacutes
III justificacioacuten
La gran mayoriacutea de los estudiantes de la Universidad de El Salvador no posee las
competencias linguumliacutesticas del idioma ingleacutes como para poder estudiar en textos
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
4
Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
5
FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
6
quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
7
FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
8
reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
10
profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
15
Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR
Ing Rufino Antonio Quezada Saacutenchez
RECTOR
Arq Miguel Aacutengel Peacuterez Ramos
VICE-RECTOR ACADEacuteMICO
Maacutester Oscar Noeacute Navarrete Romero
VICE-RECTOR ADMINISTRATIVO
Lic Douglas Vladimir Alfaro Chaacutevez
SECRETARIO GENERAL
AUTORIDADES DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Lic Raymundo Calderoacuten Moraacuten
DECANO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Dr Carlos Roberto Paz Manzano
VICE DECANO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
Maacutester Julio Cesar Grande Rivera
SECRETARIO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS Y HUMANIDADES
AUTORIDADES DEL DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
Mti Edgar Nicolaacutes Ayala
JEFE DEL DEPARTAMENTO DE IDIOMAS
Mat Rhina Franco Ramos
COORDINADOR GENERAL DEL PROCESO DE GRADUACIOacuteN
Mat Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
Asesor del Proceso de Graduacioacuten
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi esposa Lic Antonia Luisa Garciacutea Cheacutevez de Nolasco
Por su constante apoyo aliento y solidaridad para que completara con eacutexito esta
meta
A mis hijas Alejandra Mariacutea e Irene Beatriz a mis hijos Heacutector Alejandro y Rafael
Antonio
Por el entusiasmo y solidaridad mostrados a mi persona durante todo el trayecto
de mis estudios
A mi madre Cecilia del Carmen Pacheco Viuda de Nolasco
Por animarme a continuar con mis estudios y proporcionarme fortaleza
A mis profesores del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por los conocimientos y experiencias que compartieron conmigo de manera
incondicional
A mis compantildeeros del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por su amistad entusiasmo y cooperacioacuten desinteresada para que este proceso
tuviese un final feliz
A mi asesor Lic Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
Por su paciencia su apoyo su sabiduriacutea y tiempo brindados a mi persona durante
la ejecucioacuten de este proyecto
Al Lic Salvador Octavio Montes Director de la Biblioteca de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador Por haberme brindado su confianza en la ejecucioacuten de este proyecto y por toda su colaboracioacuten
iv
TABLA DE CONTENIDOS
I Introduccioacuten
II Objetivos
III Justificacioacuten
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
A Capiacutetulo 2- La Quiacutemica de la Vida
B Capiacutetulo 3- Estructura de la Ceacutelula y sus Funciones
VII Referencias
v
I Introduccioacuten
El propoacutesito del presente proyecto consiste en proporcionar a los estudiantes de
Anatomiacutea y Fisiologiacutea de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador
de una versioacuten en espantildeol de un libro escrito en ingleacutes que es de mucha utilidad
tanto para los estudiantes como para los profesores de de la facultad de medicina
de la Universidad de El Salvador la traduccioacuten completa del libro Essentials of
Anatomy
and Physiology 2nd Edition se ha planeado completarla entre todos los estudiantes
de la Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes de la Cohorte 2007-
2008 aquiacute se presenta la traduccioacuten de los capiacutetulos 2 y 3
II Objetivos
Objetivo General
Propiciar el contacto de la Facultad de Ciencias y Humanidades con las demaacutes
unidades acadeacutemicas de la Universidad de El Salvador para la promocioacuten del
caraacutecter acadeacutemico y profesional de la Universidad de El Salvador ademaacutes de
promover el desarrollo acadeacutemico y cientiacutefico de la misma
Objetivos Especiacuteficos
Contribuir con la formacioacuten acadeacutemica de los alumnos de la Facultad de Medicina
de la Universidad de El Salvador proveyeacutendolos de la traduccioacuten del ingleacutes al
espantildeol de los capiacutetulos 2 y 3 del libro ldquoEssentials of Anatomy and Physiologyrdquo 2nd
Edition
Apoyar a los docentes de la asignatura Anatomiacutea y Fisiologiacutea la Facultad de
Medicina de la Universidad de El Salvador proveyeacutendoles de un texto en espantildeol
originalmente escrito en ingleacutes
III justificacioacuten
La gran mayoriacutea de los estudiantes de la Universidad de El Salvador no posee las
competencias linguumliacutesticas del idioma ingleacutes como para poder estudiar en textos
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
4
Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
5
FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
6
quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
7
FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
8
reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
10
profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
15
Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
20
REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi esposa Lic Antonia Luisa Garciacutea Cheacutevez de Nolasco
Por su constante apoyo aliento y solidaridad para que completara con eacutexito esta
meta
A mis hijas Alejandra Mariacutea e Irene Beatriz a mis hijos Heacutector Alejandro y Rafael
Antonio
Por el entusiasmo y solidaridad mostrados a mi persona durante todo el trayecto
de mis estudios
A mi madre Cecilia del Carmen Pacheco Viuda de Nolasco
Por animarme a continuar con mis estudios y proporcionarme fortaleza
A mis profesores del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por los conocimientos y experiencias que compartieron conmigo de manera
incondicional
A mis compantildeeros del Programa de Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-
EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes
Por su amistad entusiasmo y cooperacioacuten desinteresada para que este proceso
tuviese un final feliz
A mi asesor Lic Joseacute Ricardo Gamero Ortiz
Por su paciencia su apoyo su sabiduriacutea y tiempo brindados a mi persona durante
la ejecucioacuten de este proyecto
Al Lic Salvador Octavio Montes Director de la Biblioteca de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador Por haberme brindado su confianza en la ejecucioacuten de este proyecto y por toda su colaboracioacuten
iv
TABLA DE CONTENIDOS
I Introduccioacuten
II Objetivos
III Justificacioacuten
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
A Capiacutetulo 2- La Quiacutemica de la Vida
B Capiacutetulo 3- Estructura de la Ceacutelula y sus Funciones
VII Referencias
v
I Introduccioacuten
El propoacutesito del presente proyecto consiste en proporcionar a los estudiantes de
Anatomiacutea y Fisiologiacutea de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador
de una versioacuten en espantildeol de un libro escrito en ingleacutes que es de mucha utilidad
tanto para los estudiantes como para los profesores de de la facultad de medicina
de la Universidad de El Salvador la traduccioacuten completa del libro Essentials of
Anatomy
and Physiology 2nd Edition se ha planeado completarla entre todos los estudiantes
de la Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes de la Cohorte 2007-
2008 aquiacute se presenta la traduccioacuten de los capiacutetulos 2 y 3
II Objetivos
Objetivo General
Propiciar el contacto de la Facultad de Ciencias y Humanidades con las demaacutes
unidades acadeacutemicas de la Universidad de El Salvador para la promocioacuten del
caraacutecter acadeacutemico y profesional de la Universidad de El Salvador ademaacutes de
promover el desarrollo acadeacutemico y cientiacutefico de la misma
Objetivos Especiacuteficos
Contribuir con la formacioacuten acadeacutemica de los alumnos de la Facultad de Medicina
de la Universidad de El Salvador proveyeacutendolos de la traduccioacuten del ingleacutes al
espantildeol de los capiacutetulos 2 y 3 del libro ldquoEssentials of Anatomy and Physiologyrdquo 2nd
Edition
Apoyar a los docentes de la asignatura Anatomiacutea y Fisiologiacutea la Facultad de
Medicina de la Universidad de El Salvador proveyeacutendoles de un texto en espantildeol
originalmente escrito en ingleacutes
III justificacioacuten
La gran mayoriacutea de los estudiantes de la Universidad de El Salvador no posee las
competencias linguumliacutesticas del idioma ingleacutes como para poder estudiar en textos
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
4
Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
5
FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
6
quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
7
FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
8
reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
iv
TABLA DE CONTENIDOS
I Introduccioacuten
II Objetivos
III Justificacioacuten
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
A Capiacutetulo 2- La Quiacutemica de la Vida
B Capiacutetulo 3- Estructura de la Ceacutelula y sus Funciones
VII Referencias
v
I Introduccioacuten
El propoacutesito del presente proyecto consiste en proporcionar a los estudiantes de
Anatomiacutea y Fisiologiacutea de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador
de una versioacuten en espantildeol de un libro escrito en ingleacutes que es de mucha utilidad
tanto para los estudiantes como para los profesores de de la facultad de medicina
de la Universidad de El Salvador la traduccioacuten completa del libro Essentials of
Anatomy
and Physiology 2nd Edition se ha planeado completarla entre todos los estudiantes
de la Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes de la Cohorte 2007-
2008 aquiacute se presenta la traduccioacuten de los capiacutetulos 2 y 3
II Objetivos
Objetivo General
Propiciar el contacto de la Facultad de Ciencias y Humanidades con las demaacutes
unidades acadeacutemicas de la Universidad de El Salvador para la promocioacuten del
caraacutecter acadeacutemico y profesional de la Universidad de El Salvador ademaacutes de
promover el desarrollo acadeacutemico y cientiacutefico de la misma
Objetivos Especiacuteficos
Contribuir con la formacioacuten acadeacutemica de los alumnos de la Facultad de Medicina
de la Universidad de El Salvador proveyeacutendolos de la traduccioacuten del ingleacutes al
espantildeol de los capiacutetulos 2 y 3 del libro ldquoEssentials of Anatomy and Physiologyrdquo 2nd
Edition
Apoyar a los docentes de la asignatura Anatomiacutea y Fisiologiacutea la Facultad de
Medicina de la Universidad de El Salvador proveyeacutendoles de un texto en espantildeol
originalmente escrito en ingleacutes
III justificacioacuten
La gran mayoriacutea de los estudiantes de la Universidad de El Salvador no posee las
competencias linguumliacutesticas del idioma ingleacutes como para poder estudiar en textos
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
4
Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
5
FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
6
quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
7
FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
8
reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
10
profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
31
no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
32
VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
v
I Introduccioacuten
El propoacutesito del presente proyecto consiste en proporcionar a los estudiantes de
Anatomiacutea y Fisiologiacutea de la Facultad de Medicina de la Universidad de El Salvador
de una versioacuten en espantildeol de un libro escrito en ingleacutes que es de mucha utilidad
tanto para los estudiantes como para los profesores de de la facultad de medicina
de la Universidad de El Salvador la traduccioacuten completa del libro Essentials of
Anatomy
and Physiology 2nd Edition se ha planeado completarla entre todos los estudiantes
de la Maestriacutea en Traduccioacuten Ingleacutes-EspantildeolEspantildeol-Ingleacutes de la Cohorte 2007-
2008 aquiacute se presenta la traduccioacuten de los capiacutetulos 2 y 3
II Objetivos
Objetivo General
Propiciar el contacto de la Facultad de Ciencias y Humanidades con las demaacutes
unidades acadeacutemicas de la Universidad de El Salvador para la promocioacuten del
caraacutecter acadeacutemico y profesional de la Universidad de El Salvador ademaacutes de
promover el desarrollo acadeacutemico y cientiacutefico de la misma
Objetivos Especiacuteficos
Contribuir con la formacioacuten acadeacutemica de los alumnos de la Facultad de Medicina
de la Universidad de El Salvador proveyeacutendolos de la traduccioacuten del ingleacutes al
espantildeol de los capiacutetulos 2 y 3 del libro ldquoEssentials of Anatomy and Physiologyrdquo 2nd
Edition
Apoyar a los docentes de la asignatura Anatomiacutea y Fisiologiacutea la Facultad de
Medicina de la Universidad de El Salvador proveyeacutendoles de un texto en espantildeol
originalmente escrito en ingleacutes
III justificacioacuten
La gran mayoriacutea de los estudiantes de la Universidad de El Salvador no posee las
competencias linguumliacutesticas del idioma ingleacutes como para poder estudiar en textos
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
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uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
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Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
15
Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
31
no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
32
VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
vi
escritos en ingleacutes este hecho le restringe las posibilidades al estudiante de
prepararse mejor y tambieacuten le resta oportunidades de conocer los enfoques de
expertos extranjeros en la materia de aprender maacutes raacutepido y de manera maacutes
efectiva en textos disentildeados por expertos editores este es el caso del libro sujeto
a la traduccioacuten actual
Ante la escasez de buenos textos acadeacutemicos escritos en idioma espantildeol los
acadeacutemicos se ven obligados a adquirir textos escritos en ingles esto debido a su
calidad intriacutenseca desde el punto de vista acadeacutemico-cientiacutefico como por su
calidad extriacutenseca desde el punto de vista de presentacioacuten y edicioacuten La necesidad
de los estudiantes para prepararse mejor se ve impedida por la ausencia de
competencias linguumliacutesticas del ingleacutes que les permita leer y comprender textos de
su especialidad escritos en ingleacutes por lo que se hace necesario la existencia de
textos escritos en idioma espantildeol lo cual en muchos casos no es posible ya que
las editoriales no lanzan al mercado versiones traducidas de sus textos por lo que
se hace necesario traducirlos para asiacute satisfacer las necesidades educativas de
los estudiantes
De acuerdo con informacioacuten proporcionada por el Director de la Biblioteca de la
Facultad de Medicina Lic Salvador Octavio Montes la materia de Anatomiacutea y
Fisiologiacutea es cursada por unos 650 alumnos anualmente y estaacuten involucrados
unos 20 docentes ademaacutes por tanto es esta la poblacioacuten que saldriacutea beneficiada
con este proyecto declara tambieacuten el Lic Montes que el libro es consultado con
una frecuencia semanal de 20 a 25 veces esta frecuencia aumentariacutea
considerablemente al contar con la versioacuten en espantildeol lo que redundariacutea tanto en
la mejora del rendimiento acadeacutemico de los alumnos asiacute como en el desempentildeo
de los docentes
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
29
Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
31
no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
32
VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
vii
IV Traduccioacuten de los Capiacutetulos 2 y 3 del Libro Essentials of Anatomy
and Physiology 2nd Edition
1
LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
3
Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
4
Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
5
FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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LA QUIacuteMICA DE LA VIDA Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Definir aacutetomo y elemento 2 Nombrar las partiacuteculas subatoacutemicas de un
aacutetomo y describir coacutemo estaacuten organizadas 3 Dada una foacutermula quiacutemica describir el
nuacutemero y tipo de aacutetomos en una moleacutecula 4 Describir tres tipos de enlace quiacutemico 5 Empleando siacutembolos explique las
reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio
6 Distinguir entre reacciones quiacutemicas que
liberan o absorben energiacutea 7 Liste los factores que afectan la velocidad
de las reacciones quiacutemicas 8 Explique coacutemo las reacciones reversibles
producen equilibrio quiacutemico 9 Describa la escala pH y su relacioacuten con la
acidez y la alcalinidad 10 Explique por queacute los buffers son
importantes 11 Liste las propiedades del agua que la hacen
importante para los seres vivos 12 Describa cuatro tipos importantes de
moleacuteculas orgaacutenicas y sus funciones
aacutecido
Cualquier sustancia donadora de protones o cualquier sustancia que libere iones hidroacutegeno aacutetomo [Gr atomos indivisible sin cortar]
La partiacutecula maacutes pequentildea en la que se puede dividir un elemento usando meacutetodos quiacutemicos estaacute compuesto de neutrones protones y electrones base
Cualquier sustancia aceptora de protones o cualquier sustancia que se une a iones hidroacutegeno buffer
Una sustancia quiacutemica que se resiste a los cambios de pH cuando se agrega ya sea un aacutecido o una base a una solucioacuten que contiene el buffer enlace covalente
Enlace quiacutemico que se forma cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones electroacuten
Partiacutecula con carga negativa que se encuentra en los orbitales de los aacutetomos enzima [Gr en en + zyme levadura]
Una moleacutecula de proteiacutena que aumenta la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica sin que resulte alterada
ion
Un aacutetomo o grupo de aacutetomos que transporta una carga eleacutectrica debido a la peacuterdida o ganancia de uno o maacutes electrones enlace ioacutenico
Enlace quiacutemico que se forma cuando un aacutetomo pierde un electroacuten y otro aacutetomo lo acepta moleacutecula
Dos o maacutes aacutetomos del mismo o diferente tipo unidos por un enlace quiacutemico neutroacuten
[L neuter neutro] Partiacutecula eleacutectricamente neutra y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos protoacuten
[Gr protos primero] Partiacutecula cargada positivamente y que se encuentra en el nuacutecleo de los aacutetomos
2
uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
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Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
6
quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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uiacutemica es la disciplina cientiacutefica que
estudia la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que experimentan El conocimiento baacutesico de los principios quiacutemicos es esencial para la comprensioacuten de la anatomiacutea y fisiologiacutea Por ejemplo los procesos fisioloacutegicos de
la digestioacuten la contraccioacuten muscular y la generacioacuten de impulsos nerviosos pueden ser explicados en teacuterminos quiacutemicos QUIacuteMICA BAacuteSICA Materia es cualquier cosa que ocupa espacio Un elemento es materia compuesta de aacutetomos de la misma clase Los aacutetomos son las partiacuteculas maacutes pequentildeas en
las cuales se puede dividir un elemento usando medios quiacutemicos convencionales Por ejemplo el oxiacutegeno es un elemento compuesto de solo aacutetomos de oxiacutegeno La estructura de los aacutetomos
Los tres principales tipos de partiacuteculas subatoacutemicas que forman los aacutetomos son los neutrones los protones y los electrones Los neutrones no tienen carga eleacutectrica los protones tienen una carga eleacutectrica positiva y los electrones tienen una carga eleacutectrica negativa El
nuacutemero de protones en un aacutetomo es igual al nuacutemero de electrones En consecuencia los aacutetomos son eleacutectricamente neutros sin carga ni negativa ni positiva
Los protones y los neutrones estaacuten organizados dentro de los aacutetomos para formar un nuacutecleo central y los
electrones se mueven alrededor del nuacutecleo (Figura 2-1) Aunque es imposible saber con precisioacuten en queacute punto alrededor del nuacutecleo se localiza un electroacuten la regioacuten donde es maacutes probable encontrar un electroacuten se llama orbital del electroacuten Por conveniencia estos orbitales
tridimensionales se representan con frecuencia como una serie de ciacuterculos conceacutentricos alrededor del nuacutecleo El nuacutemero de protones en un aacutetomo se llama su nuacutemero atoacutemico Diferentes elementos tienen diferentes
nuacutemeros atoacutemicos En la Tabla 2-1 se listan los elementos comuacutenmente encontrados en el cuerpo humano Note que los siacutembolos usados en la tabla se pueden usar para referirse a elementos o aacutetomos individuales Electrones y enlaces quiacutemicos
Gran parte del comportamiento quiacutemico de un aacutetomo estaacute determinado por los electrones en los orbitales maacutes externos Los enlaces quiacutemicos se forman cuando los
electrones de la capa maacutes externa se transfieren o comparten entre aacutetomos la combinacioacuten de aacutetomos resultante se llama moleacutecula Si una moleacutecula tiene dos
o maacutes clases diferentes de aacutetomos entonces se puede referir a ella como un compuesto Una moleacutecula se puede representar por una foacutermula quiacutemica la cual
consiste de los siacutembolos de los aacutetomos en la moleacutecula maacutes un subiacutendice que denota el nuacutemero de cada tipo de aacutetomo Por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa (un azuacutecar) es C6H12O6 asiacute la glucosa tiene 6 aacutetomos de carbono (C) 12 de hidroacutegeno (H) y 6 de oxiacutegeno(O)
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Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Aplicaciones cliacutenicas de las partiacuteculas atoacutemicas
Los protones neutrones y electrones son responsables de las propiedades quiacutemicas de los aacutetomos tambieacuten tienen otras propiedades que pueden ser muy uacutetiles en un contexto cliacutenico Por ejemplo algunas de estas propiedades han permitido el desarrollo de meacutetodos para examinar el interior del cuerpo Los isoacutetopos constituyen dos o maacutes formas del mismo elemento y que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones pero diferente nuacutemero de neutrones Por ejemplo el hidroacutegeno no tiene neutrones y su isoacutetopo deuterio tiene uno El agua hecha con deuterio es llamada agua pesada debido al peso del neutroacuten ldquoextrardquo Debido a que los isoacutetopos del mismo aacutetomo tienen el mismo nuacutemero de electrones ellos tienen similar comportamiento quiacutemico Los nuacutecleos de algunos isoacutetopos son estables y no cambian sin embargo los isoacutetopos radioactivos tienen nuacutecleos inestables que pierden neutrones o protones Se pueden producir varias clases diferentes de radiacioacuten cuando los neutrones y protones o los productos formados por su desintegracioacuten son liberados del nuacutecleo del isoacutetopo
La radiacioacuten emitida por algunos isoacutetopos radioactivos puede penetrar y destruir los tejidos Las ceacutelulas que se dividen de forma raacutepida son maacutes sensibles a la radiacioacuten que las que lo hacen de manera lenta La radiacioacuten es empleada para combatir tumores cancerosos (malignos) ya que las ceacutelulas del caacutencer se dividen raacutepidamente si el tratamiento es efectivo las ceacutelulas cancerosas son destruidas junto con una destruccioacuten tolerable de tejido sano Los isoacutetopos radioactivos son usados tambieacuten en la diagnosis la radiacioacuten se puede detectar y el movimiento de los isoacutetopos radioactivos a traveacutes del cuerpo pueden ser rastreados Por ejemplo la glaacutendula tiroides normalmente necesita yodo para la formacioacuten de hormonas tiroidales por tanto el yodo radioactivo se puede emplear para determinar si la absorcioacuten de yodo es normal en la glaacutendula tiroides
La radiacioacuten tambieacuten se puede producir de otras maneras diferentes a la desintegracioacuten del nuacutecleo de los aacutetomos Los rayos X es un tipo de radiacioacuten formada cuando los electrones pierden energiacutea por el desplazamiento de un orbital de mayor energiacutea a uno de menor energiacutea Los rayos X son usados para determinar si los huesos estaacuten fracturados y en los dientes para determinar si tienen caries (cavidades)
Los mamogramas son fotografiacuteas de rayos X de baja energiacutea que se hacen a las mamas para detectar tumores ya que estos son ligeramente maacutes densos que el tejido normal Las computadoras se pueden emplear para analizar un conjunto de rayos X tomados cada uno en lugares del cuerpo ligeramente separados luego la imagen de cada ldquorecorterdquo de rayos X a traveacutes del cuerpo es ensamblada por la computadora para formar una imagen tridimensional Una tomografiacutea computarizada (TC) es un ejemplo de esta teacutecnica (Figura 2-A) las TC son usadas para detectar tumores y otras anormalidades en el cuerpo Las imaacutegenes de resonancia magneacutetica (IRM) constituyen otro meacutetodo para mirar dentro del cuerpo (Figura 2-B) El paciente se coloca dentro de un poderoso campo magneacutetico el cual alinea los nuacutecleos de hidrogeno Las ondas de radio emitidas por los nuacutecleos de hidroacutegeno se monitorean y los datos son usados luego por una computadora para crear una imagen del cuerpo Debido a que la RM detecta hidroacutegeno es muy efectivo para visualizar tejidos blandos que contienen mucha agua La tecnologiacutea de IRM es empleada para detectar tumores y otras anormalidades del cuerpo
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Iones importantes
ELEMENTO SIacuteMBOLO FUNCIOacuteN
Calcio
Sodio
Potasio
Hidroacutegeno
Hidroacutexido
Cloruro
Bicarbonato
Amonio
Fosfato
Hierro
Magnesio
Ca2+
Na+
K+
H+
OH-
Cl-
HCO3-
NH4+
PO43-
Fe2+
Mg2+
Componente de los huesos y dientes necesario para la coagulacioacuten de la sangre y la
contraccioacuten de los muacutesculos
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas (diferencias de carga eleacutectrica a traveacutes
de una membrana) y el balance de agua
Ayuda a mantener los potenciales de las membranas
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Ayuda a mantener el equilibrio aacutecido-base
Componente de los huesos y dientes involucrado en el intercambio de energiacutea y el equilibrio
aacutecido-base
Necesario para la formacioacuten y funcionamiento de los gloacutebulos rojos
Necesario para las enzimas
Los aacutetomos son partiacuteculas eleacutectricamente neutras ya que tienen igual nuacutemero de protones y electrones luego de que un aacutetomo dona un electroacuten le queda un protoacuten en exceso respecto del nuacutemero de electrones quedando asiacute con carga positiva Despueacutes de que un aacutetomo acepta un electroacuten donado le queda un electroacuten en exceso respecto del nuacutemero de protones quedando asiacute con carga negativa Estos aacutetomos cargados se llaman iones Los iones positivos y
negativos permanecen muy juntos ya que los iones con carga eleacutectrica opuesta se atraen mutuamente el enlace que resulta de esta atraccioacuten se llama enlace ioacutenico Los iones se simbolizan por el siacutembolo del aacutetomo del cual se formoacute la carga del ion se indica por un signo maacutes (+) o un signo menos (-) escrito como exponente del siacutembolo Por ejemplo un ion sodio se representa como Na
+ y un ion cloruro como Cl
- Si se ha
perdido o ganado maacutes de un electroacuten se emplea un nuacutemero junto con el signo maacutes o menos asiacute el Ca
2+ es
un ion calcio formado por la perdida de dos electrones La Tabla 2-2 lista algunos de los iones maacutes importantes encontrados en el cuerpo humano
PREDECIR
Si un aacutetomo de hierro (Fe) pierde tres
electrones iquestcuaacutel es la carga del ion resultante
Escriba el siacutembolo para este ion
Enlaces covalentes
Un enlace covalente resulta cuando dos aacutetomos comparten un par de electrones por ejemplo dos aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir sus electrones para formar una moleacutecula de hidroacutegeno (Figura 2-3 A) Un enlace covalente se puede representar por una liacutenea entre los siacutembolos de los aacutetomos involucrados por ejemplo H ndash H representa a los dos aacutetomos de hidroacutegeno unidos por un enlace covalente en una moleacutecula de hidroacutegeno Un aacutetomo de carbono puede compartir cuatro de sus electrones con otros aacutetomos formando cuatro enlaces covalentes (Figura 2-3 B) El enlace covalente maacutes comuacuten es aquel en el que soacutelo se comparte un par de electrones y se llama enlace covalente simple Algunos aacutetomos pueden compartir dos pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente doble por ejemplo O=O representa el enlace covalente doble entre dos aacutetomos de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de oxiacutegeno Ocasionalmente un aacutetomo comparte tres pares de electrones con otro aacutetomo para formar un enlace covalente triple tal como ocurre cuando dos aacutetomos de nitroacutegeno se combinan para formar una moleacutecula de nitroacutegeno la que se representa como N equiv N Los aacutetomos de carbono son los principales componentes de la mayoriacutea de las moleacuteculas en el cuerpo humano La gran variedad de moleacuteculas es el resultado de los enlaces covalentes formados entre los aacutetomos de carbono y entre aacutetomos de carbono e hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
8
reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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FIGURA 2-3 middot Enlace covalente A Cada aacutetomo de hidroacutegeno tiene un solo electroacuten Los aacutetomos de hidroacutegeno forman un enlace covalente y se convierten en una moleacutecula de hidroacutegeno cuando los dos electrones son compartidos por los dos aacutetomos de hidroacutegeno B Una moleacutecula de metano consiste de cuatro aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de carbono Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de carbono y el aacutetomo de carbono comparte cuatro electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno C Una moleacutecula de agua consiste de dos aacutetomos de hidroacutegeno y un aacutetomo de oxiacutegeno Cada aacutetomo de hidroacutegeno comparte su electroacuten con el aacutetomo de oxiacutegeno y el aacutetomo de oxiacutegeno comparte dos de sus electrones con los aacutetomos de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno pueden compartir electrones con un aacutetomo de oxiacutegeno para formar una moleacutecula de agua (Figura 2-3 C) Sin embargo los aacutetomos de hidroacutegeno no comparten los electrones de manera equitativa con el aacutetomo de oxiacutegeno ya que los electrones tienden a pasar maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxigeno que alrededor de los aacutetomos de hidrogeno Esta posesioacuten desigual de electrones es llamada enlace covalente polar y hace que los dos extremos (polos) de la moleacutecula adquieran cargas opuestas
PREDECIR
En una moleacutecula de agua los dos aacutetomos de
hidroacutegeno constituyen un extremo de la moleacutecula y
el aacutetomo de oxiacutegeno forma el otro extremo iquestCuaacutel
extremo de la moleacutecula de agua tiene carga
negativa
Enlaces de hidroacutegeno Las moleacuteculas con enlaces covalente polar se encuentran deacutebilmente atraiacutedas por iones o por otras moleacuteculas covalentes polares esta deacutebil atraccioacuten es llamada enlace de hidroacutegeno Por ejemplo las moleacuteculas de agua son mantenidas juntas por enlaces de hidroacutegeno el hidroacutegeno con carga positiva en el extremo de una moleacutecula de agua es atraiacutedo por un oxigeno con carga negativa
en el extremo de otra moleacutecula de agua (Figura 2-4) Los enlaces de hidroacutegeno juegan un papel importante en la determinacioacuten de la forma de moleacuteculas complejas ya que es el que mantiene unidas a las moleacuteculas por medio de la atraccioacuten entre los dos polos diferentes de la moleacutecula
Enlaces de hidroacutegeno
Hidroacutegeno Moleacutecula Hidroacutegeno de agua Oxiacutegeno
FIGURA 2-4 middot Enlaces de hidroacutegeno Los aacutetomos de hidroacutegeno y oxiacutegeno se combinan para formar agua Cada polo positivo del hidroacutegeno de una moleacutecula de agua forma un enlace de hidroacutegeno con el extremo negativo del oxiacutegeno de otra moleacutecula de agua REACCIONES QUIacuteMICAS Una reaccioacuten quiacutemica es el proceso por el cual los aacutetomos o moleacuteculas interactuacutean para formar o romper enlaces quiacutemicos Los aacutetomos o moleacuteculas presentes antes de que la reaccioacuten ocurra son los reactantes y los que se producen por la reaccioacuten
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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quiacutemica son los productos Por ejemplo los reactantes sodio y cloro se combinan para formar el producto cloruro de sodio Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Cuando dos o maacutes aacutetomos iones o moleacuteculas se combinan para formar una moleacutecula nueva y maacutes grande el proceso se llama reaccioacuten de siacutentesis eacutesta se puede
representar como sigue
A + B AB Un ejemplo de una reaccioacuten de siacutentesis en el cuerpo es la formacioacuten de adenosina trifosfato (ATP) una moleacutecula que contiene adenosina (simbolizada por la letra ldquoArdquo) y tres grupos fosfato (PO4
3- simbolizado por la letra ldquoTrdquo
para tri y ldquoPrdquo para fosfato) El ATP se forma cuando la adenosina difosfato (ADP) quien tiene dos grupos fosfato se combina con otro grupo fosfato para formar la moleacutecula maacutes grande de ATP
A ndash P ndash P + P A ndash P ndash P ndash P (ADP) Grupo (ATP) fosfato En una reaccioacuten de descomposicioacuten grandes
moleacuteculas son descompuestas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos Una reaccioacuten de descomposicioacuten es lo contrario de una reaccioacuten de siacutentesis y se puede representar de la siguiente manera
AB A + B
La descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato es un ejemplo
A ndash P ndash P - P A ndash P ndash P + P (ADP) (ATP) Grupo fosfato Una reaccioacuten de intercambio es una combinacioacuten de
una reaccioacuten de descomposicioacuten y una de siacutentesis En la descomposicioacuten grandes moleacuteculas son descompuestas en la siacutentesis los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se convierten en nuevas moleacuteculas La representacioacuten simboacutelica de una reaccioacuten de intercambio es
AB + CD AC +BD
La reaccioacuten del aacutecido clorhiacutedrico (HCl) con el hidroacutexido de sodio (NaOH) para formar sal (NaCl) y agua (H2O) es una reaccioacuten de intercambio
HCl + NaOH NaCl + H2O
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
Las reacciones quiacutemicas son importantes debido a los productos que ellas forman y a los cambios de energiacutea que producen La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes entonces se libera energiacutea (Figura 2-
5 A) la cual en su mayor parte es liberada en forma de calor la temperatura del cuerpo humano se mantiene por el calor producido de esa manera el resto de la energiacutea es empleada para sintetizar (formar) nuevas moleacuteculas o para impulsar procesos que requieren energiacutea tal como la contraccioacuten muscular Un ejemplo de una reaccioacuten que libera energiacutea es la descomposicioacuten del ATP en ADP y un grupo fosfato Este grupo fosfato estaacute unido a la moleacutecula de ADP por un enlace covalente de fosfato en el cual la energiacutea estaacute almacenada cuando el enlace entre el ADP y el grupo fosfato se rompe se libera energiacutea parte de la cual se pierde en forma de calor y otra parte queda disponible para ser aprovechada por las ceacutelulas
ATP ADP + P + Calor + Energiacutea (pej para
reacciones de siacutentesis contracciones musculares)
PREDECIR
iquestPor queacute la temperatura corporal aumenta
durante el ejercicio
Si los productos de una reaccioacuten quiacutemica contienen maacutes energiacutea que los reactantes entonces la reaccioacuten necesita que esa energiacutea le sea proporcionada de otra fuente (Figura 2-5 B) La energiacutea liberada durante
la descomposicioacuten de moleacuteculas de los alimentos es la fuente de energiacutea para esta clase de reacciones en el cuerpo La energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es empleada para sintetizar moleacuteculas tales como el ATP grasas y proteiacutenas En la siacutentesis del ATP la energiacutea proveniente de las moleacuteculas de los alimentos es usada para formar un enlace fosfato que es el que une un grupo fosfato al ADP ADP + P + Energiacutea (de la descomposicioacuten de moleacuteculas alimenticias) ATP Las moleacuteculas de ATP almacenan energiacutea la cual es liberada cuando se rompe el enlace fosfato entre el ADP y el grupo fosfato El ATP es llamado la energiacutea disponible de la ceacutelula debido a que casi todas las reacciones quiacutemicas de la ceacutelula que requieren energiacutea usan el ATP como fuente de energiacutea
La energiacutea que hace posible casi toda la vida en la tierra viene del sol En el proceso de la fotosiacutentesis las plantas capturan la energiacutea de los rayos solares y la convierten en enlaces quiacutemicos en la glucosa Las plantas y los organismos que comen plantas descomponen la glucosa para formar ATP la energiacutea liberada de la descomposicioacuten del ATP es el combustible de las reacciones quiacutemicas de la vida
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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FIGURA 2-5 Energiacutea y reacciones quiacutemicas
En cada figura la repisa superior representa un estado de mayor energiacutea y la repisa inferior un estado de menor energiacutea A Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se libera energiacutea El
ATP sufre una reaccioacuten de descomposicioacuten para formar ADP y un grupo fosfato B Una reaccioacuten quiacutemica en la cual se requiere energiacutea para que la reaccioacuten proceda El ADP y un grupo fosfato sufren una reaccioacuten de siacutentesis para formar ATP VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUIacuteMICAS
La velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede estaacute influenciada por la naturaleza de las sustancias reactantes su concentracioacuten la temperatura y las enzimas Las sustancias difieren en su capacidad para reaccionar con otras sustancias el hierro por ejemplo reacciona lentamente con el oxigeno para formar oacutexido Por otra parte los componentes de la dinamita reaccionan violentamente entre siacute en fracciones de segundo resultando en una explosioacuten Dentro de ciertos liacutemites mientras mayor sea la concentracioacuten de los reactantes mayor es la velocidad a la cual ocurre la reaccioacuten quiacutemica por que a medida aumenta la concentracioacuten las moleacuteculas reactantes tienen maacutes probabilidad de entrar en contacto entre siacute Por ejemplo la concentracioacuten normal del oxiacutegeno dentro de las ceacutelulas le permite entrar en contacto con otras moleacuteculas generando asiacute las reacciones quiacutemicas necesarias para la vida Si la concentracioacuten del oxiacutegeno disminuye las velocidades de las reacciones quiacutemicas disminuyen lo cual puede debilitar la funcioacuten de las ceacutelulas conduciendo a su muerte La velocidad de las reacciones quiacutemicas tambieacuten aumenta al aumentar la temperatura Cuando una
persona tiene fiebre las reacciones ocurren en todo el cuerpo a una velocidad mayor esto conduce a una mayor actividad en la mayoriacutea de los sistemas orgaacutenicos tal como el aumento en la frecuencia cardiaca y respiratoria Cuando la temperatura disminuye la velocidad de las reacciones tambieacuten disminuye el torpe movimiento de los dedos muy friacuteos son el resultado de una reducida velocidad de las reacciones quiacutemicas en los tejidos musculares friacuteos A temperaturas corporales normales la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas ocurririacutean demasiado lentas como para sostener la vida a no ser por las enzimas del cuerpo Las enzimas son moleacuteculas proteiacutenicas que actuacutean como catalizador un catalizador es una
sustancia que aumenta la velocidad a la cual una reaccioacuten quiacutemica procede sin sufrir cambios permanentes ni ser consumido Muchas de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo requieren enzimas Las enzimas son estudiadas con maacutes detalle maacutes adelante en este capiacutetulo (vea Proteiacutenas) Reacciones reversibles En una reaccioacuten reversible eacutesta puede proceder de los
reactantes a los productos o de los productos a los
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
15
Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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reactantes Se dice que la reaccioacuten estaacute en equilibrio cuando la velocidad de formacioacuten de un producto es igual a la velocidad de la formacioacuten de un reactante en el equilibrio las cantidades relativas de reactantes y productos tiende a permanecer constantes Por ejemplo la reaccioacuten entre el dioacutexido de carbono (CO2 ) y el agua (H2O) para formar iones hidroacutegeno (H
+) y iones
bicarbonato (CO3- ) es reversible (indicado por una flecha
con dos puntas)
CO2 + H2O harr H+ + CO3
-
Si se agrega dioacutexido de carbono al agua aumenta la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno sin embargo la reaccioacuten del dioacutexido de carbono con agua produce maacutes iones hidroacutegeno y la cantidad de dioacutexido de carbono relativa a la cantidad de iones hidroacutegeno regresa al valor del equilibrio Por el contrario al agregar iones hidroacutegeno al agua conduce a la formacioacuten de maacutes dioacutexido de carbono y el equilibrio se restablece Para que el sistema nervioso funcione apropiadamente es necesario que el nivel de iones hidroacutegeno en los fluidos corporales se mantenga constante este nivel se puede mantener constante en parte controlando los niveles de dioacutexido de carbono en la sangre Por ejemplo desacelerando la frecuencia respiratoria hace que los niveles de dioacutexido de carbono aumenten lo cual a su vez ocasiona un incremento en la concentracioacuten de los iones hidroacutegeno en la sangre
PREDECIR
Si la frecuencia respiratoria aumenta el
dioacutexido de carbono se remueve de la sangre iquestQueacute
efecto tiene esto sobre los niveles de iones
hidroacutegeno en la sangre
AacuteCIDOS Y BASES
Un aacutecido es un donador de protones Ya que un aacutetomo
de hidroacutegeno sin su electroacuten se convierte en un protoacuten cualquier sustancia que libera iones hidroacutegeno en agua es un aacutecido Por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico (HCl) en el estoacutemago forma iones hidroacutegeno (H
+) y iones cloruro
(Cl -)
HCl rarr H+ + Cl
ndash
Una base es un aceptador de protones Por ejemplo el
hidroacutexido de sodio (NaOH) forma iones sodio (Na+) y
iones hidroacutexido (OH-) Es una base por que el ion
hidroacutexido es un aceptador de protones que se une con el ion hidroacutegeno para formar agua
NaOH rarr Na+ + OH
-
H
+ H2O
La escala pH
La escala pH (Figura 2-6) la cual se extiende de 0 a 14
indica la concentracioacuten de iones hidroacutegeno de una solucioacuten el agua pura se define como una solucioacuten neutra Una solucioacuten neutra es aquella en la cual el
nuacutemero de iones hidroacutegeno es igual al nuacutemero de iones hidroacutexido y tiene un pH de 70 Las soluciones con un pH menor que 70 son aacutecidas y la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es mayor que la concentracioacuten de iones hidroacutexido Las soluciones alcalinas o baacutesicas tienen un
pH mayor que 70 y contienen menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido A medida el valor del pH se hace maacutes pequentildeo la solucioacuten se vuelve maacutes aacutecida mientras que si el pH se hace maacutes grande la solucioacuten se vuelve maacutes baacutesica FIGURA 2-6 middot La escala pH
Un pH de 70 se considera neutral Las soluciones con un pH menor de 70 se consideran aacutecidas y mientras maacutes bajo el pH la solucioacuten es maacutes aacutecida Las soluciones con un pH mayor de 70 son baacutesicas o alcalinas y mientras maacutes alto el valor del pH la solucioacuten es maacutes baacutesica En la graacutefica se listan varios fluidos tiacutepicos y su valor aproximado del pH
9
El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
10
profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
11
Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
15
Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
17
FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
20
REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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El siacutembolo del pH representa la potencia (p) de la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H
+) La potencia es
un factor de 10 lo que significa que un cambio en el pH de una solucioacuten en una unidad de pH representa un cambio de diez veces la concentracioacuten de iones hidroacutegeno Por ejemplo una solucioacuten de pH 60 tiene 10 veces el nuacutemero de iones hidroacutegeno que una solucioacuten de pH 70 asiacute variaciones pequentildeas del pH representan grandes cambios en la concentracioacuten de ion hidroacutegeno
El rango normal de pH en la sangre es de 735 a 745 La condicioacuten de acidosis se produce si el pH de la
sangre baja de 735 el sistema nervioso se deprime y el individuo se desorienta y posiblemente entre en coma La alcalosis se produce si el pH de la sangre supera el
valor de 745 el sistema nervioso se sobreexcita y el individuo puede tornarse extremadamente nervioso o tener convulsiones Tanto la acidosis como la alcalosis pueden conducir a la muerte
Sales
Una sal es una moleacutecula constituida por un ion positivo
que no sea hidroacutegeno y un ion negativo que no sea hidroacutexido Las sales se forman por la reaccioacuten de un aacutecido y una base por ejemplo el aacutecido clorhiacutedrico se combina con el hidroacutexido de sodio para formar la sal cloruro de sodio
HCl + NaOH rarr NaCl + H2O (Aacutecido) (Base) (Sal) (Agua)
Buffers
El comportamiento quiacutemico de muchas moleacuteculas cambia si cambia el pH de la solucioacuten en la cual estaacuten disueltas La supervivencia de un organismo depende de su habilidad para regular el pH de los fluidos del cuerpo dentro de un rango estrecho Una forma para mantener el valor normal del pH de los fluidos del cuerpo es a traveacutes de los buffers Un buffer es una sustancia quiacutemica que
se resiste a los cambios en pH cuando se agrega un aacutecido o una base a una solucioacuten que contenga el buffer Cuando se agrega un aacutecido a una solucioacuten ldquoamortiguadardquo (que contiene un buffer) el buffer se liga a los iones hidroacutegeno evitando asiacute que causen una disminucioacuten del pH de la solucioacuten (Figura 2-7)
PREDECIR
Si se agrega una base a una solucioacuten
iquestaumentariacutea o disminuiriacutea el pH de la solucioacuten Si la
solucioacuten contiene un buffer iquestqueacute respuesta del
buffer evitariacutea el cambio en el pH
FIGURA 2-7 middot Buffers A La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que no contiene buffer conduce a un aumento de los iones hidroacutegeno y a una disminucioacuten del pH B La adicioacuten de un aacutecido a una solucioacuten que contiene buffer conduce a un pequentildeo cambio del pH Los iones hidroacutegeno agregados se ligan al buffer (simbolizado por la letra ldquoBrdquo) EL AGUA Una moleacutecula de agua estaacute formada por un aacutetomo de
oxiacutegeno unido por enlaces covalentes polares a dos aacutetomos de hidroacutegeno El agua tiene muchas propiedades importantes para los organismos vivos
1 Puede absorber grandes cantidades de calor y permanecer a una temperatura estable La sangre que en su mayor parte es agua puede transferir calor de manera efectiva desde lo maacutes profundo del cuerpo hasta la superficie del mismo La sangre se mantiene caacutelida en lo
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
21
22
ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
23
a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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profundo del cuerpo y luego fluye hasta la superficie donde el calor es liberado ademaacutes la evaporacioacuten del agua en forma de sudor ocasiona que grandes cantidades de calor se liberen del cuerpo
2 El agua es un lubricante efectivo Por ejemplo las laacutegrimas protegen la superficie del ojo de la friccioacuten de los paacuterpados
3 El agua es un reactante o producto necesario en muchas reacciones quiacutemicas Por ejemplo durante la digestioacuten de los alimentos grandes moleacuteculas reaccionan con el agua para formar moleacuteculas maacutes pequentildeas
4 Muchas sustancias diferentes se disuelven en el agua Por ejemplo la sangre transporta nutrientes gases y productos de desecho dentro del cuerpo Muchas sustancias tales como aacutecidos bases y sales se separan o disocian
para formar iones cuando se encuentran disueltas en agua (Figura 2-8) Las moleacuteculas polares del agua rodean los iones positivos y negativos mantenieacutendolos en solucioacuten Cuando los iones estaacuten en solucioacuten pueden reaccionar
con otras moleacuteculas asiacute esta propiedad del agua hace posible muchas de las reacciones quiacutemicas del cuerpo
A las sustancias que producen iones cuando se encuentran disueltas en agua se les conoce algunas veces como electrolitos ya que sus iones conducen la
corriente eleacutectrica cuando estaacuten en solucioacuten Un electrocardiograma (ECG) es el registro de la corriente eleacutectrica producida por el corazoacuten Estas corrientes se pueden detectar por medio de electrodos colocados sobre la superficie del cuerpo ya que los iones en los fluidos corporales conducen la corriente eleacutectrica
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas son aquellas que contienen carbono las moleacuteculas inorgaacutenicas son todas las
demaacutes Una excepcioacuten es el dioacutexido de carbono el cual tradicionalmente se considera como una moleacutecula inorgaacutenica Las moleacuteculas orgaacutenicas grandes e importantes en los humanos son los carbohidratos liacutepidos y aacutecidos nucleicos (Tabla 2-3)
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
12
solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
13
Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
14
FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Carbohidratos Los carbohidratos son moleacuteculas que van desde
pequentildeas a muy grandes y que estaacuten compuestas de aacutetomos de carbono y oxiacutegeno La cantidad de hidroacutegeno relativa al oxiacutegeno es la misma en la mayoriacutea de carbohidratos como ocurre en el agua dos aacutetomos de hidroacutegeno por cada aacutetomo de oxiacutegeno En la mayoriacutea de carbohidratos el nuacutemero de aacutetomos de oxiacutegeno es igual al nuacutemero de aacutetomos de carbono por ejemplo la foacutermula quiacutemica de la glucosa es
C6 H12 O6
Los carbohidratos maacutes pequentildeos son los monosacaacuteridos o azuacutecares simples La glucosa (azuacutecar
de la sangre) y la fructosa (azuacutecar de las frutas) son monosacaacuteridos que se constituyen en importantes
fuentes de energiacutea para muchas ceacutelulas del cuerpo (Figura 2-9 A) Los carbohidratos maacutes grandes se forman
por la unioacuten quiacutemica de los monosacaacuteridos entre siacute por esta razoacuten los monosacaacuteridos se consideran como los bloques de construccioacuten de los carbohidratos Los disacaacuteridos se forman cuando dos monosacaacuteridos se
unen por ejemplo la glucosa y la fructosa se combinan para formar el disacaacuterido sacarosa (azuacutecar de mesa) (vea Figura 2-9 A) Los polisacaacuteridos consisten de muchos
monosacaacuteridos unidos en largas cadenas el glicoacutegeno o almidoacuten animal es un polisacaacuterido de la glucosa (Figura 2-9 B) Cuando las ceacutelulas que contienen glicoacutegeno necesitan energiacutea eacuteste es descompuesto en moleacuteculas individuales de glucosa las que pueden ser usadas como fuentes de energiacutea El almidoacuten de las plantas tambieacuten un polisacaacuterido de la glucosa se puede ingerir y descomponer en glucosa La celulosa otro polisacaacuterido
TABLA 2-3
Moleacuteculas orgaacutenicas importantes y su funcioacuten
MOLEacuteCULA ELEMENTOS BLOQUES DE CONSTRUCCIOacuteN
FUNCIOacuteN EJEMPLOS
Carbohidrato C H O Monosacaacuteridos Energiacutea Los monosacaacuteridos pueden ser usados como fuentes de energiacutea El glicoacutegeno (polisacaacuterido) es una moleacutecula que almacena energiacutea
Liacutepido C H O (P N en algunos)
Glicerol y aacutecidos grasos (para las grasas)
Energiacutea Las grasas se pueden almacenar y maacutes tarde ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso las grasas producen el doble de energiacutea que los carbohidratos
Estructura Los fosfoliacutepidos y el colesterol son componentes importantes de las membranas de las ceacutelulas
Regulacioacuten Las hormonas esteroidales regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej El estroacutegeno y la testosterona son responsables de la mayoriacutea de las diferencias entre hombres y mujeres)
Proteiacutena C H O N (S en la mayoriacutea)
Amino aacutecidos Regulacioacuten Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones quiacutemicas Las hormonas regulan muchos procesos fisioloacutegicos (pej la insulina afecta el transporte de glucosa hacia el interior de las ceacutelulas)
Estructura Las fibras de colaacutegeno forman una armazoacuten estructural en muchas partes del cuerpo
Energiacutea Las proteiacutenas pueden ser descompuestas para producir energiacutea por unidad de peso producen la misma energiacutea que los carbohidratos
Contraccioacuten La actina y la miosina en los muacutesculos son responsables de la contraccioacuten muscular
Transporte La hemoglobina transporta oxiacutegeno en la sangre
Proteccioacuten Los anticuerpos y complementos protegen contra los microorganismos y otras sustancias extrantildeas
Acido nucleico C H O N P Nucleoacutetidos Regulacioacuten El ADN controla las actividades de la ceacutelula
Herencia Los genes son piezas del ADN que se pueden transmitir de una generacioacuten a la siguiente
Siacutentesis de proteiacutenas
El ARN estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas
de la glucosa es un componente estructural importante de las paredes de las ceacutelulas de las plantas Los humanos no pueden digerir la celulosa la cual se elimina en las heces donde las fibras de la celulosa proporcionan volumen
Liacutepidos Los liacutepidos son sustancias que se disuelven en solventes
no polares tales como el alcohol o la acetona pero no en
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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solventes polares como el agua Los liacutepidos estaacuten compuestos principalmente de carbono hidroacutegeno y oxiacutegeno pero tambieacuten se encuentran en menor proporcioacuten otros elementos como el foacutesforo y el nitroacutegeno Los liacutepidos contienen una proporcioacuten menor de oxiacutegeno a carbono que los carbohidratos
Las grasas fosfoliacutepidos y esteroides son ejemplos de liacutepidos Las grasas son moleacuteculas muy
importantes que almacenan energiacutea tambieacuten rellenan y aiacuteslan el cuerpo Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos (Figura 2-10)
El glicerol es una moleacutecula de tres aacutetomos de carbono con un grupo hidroxilo (-OH) atado a cada aacutetomo de carbono por su parte los aacutecidos grasos consisten de una cadena de carbonos con un grupo carboxilo atado en un extremo un grupo carboxilo consiste de un aacutetomo de oxiacutegeno y un grupo hidroxilo atados a un aacutetomo de
carbono (-COOH) El grupo carboxilo es el responsable de la naturaleza aacutecida de la moleacutecula ya que libera iones hidroacutegeno en solucioacuten Los triacilgliceroles un nuevo teacutermino para los trigliceacuteridos constituyen el tipo maacutes comuacuten de moleacuteculas grasas y tienen tres aacutecidos grasos atados a una moleacutecula de glicerol
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Los aacutecidos grasos se diferencian unos de otros por su longitud y grado de saturacioacuten de sus cadenas de carbonos La mayoriacutea de aacutecidos grasos presentes en la naturaleza contienen de 14 a 18 aacutetomos de carbono Un aacutecido graso estaacute saturado si contiene solo enlaces
covalentes simples entre los aacutetomos de carbono la cadena de carbonos estaacute insaturada si tiene uno o maacutes
enlaces covalentes dobles (Figura 2-11) Se cree que las grasas insaturadas son el mejor tipo de grasas ya que las grasas saturadas contribuyen maacutes al desarrollo de arteriosclerosis una enfermedad de los vasos sanguiacuteneos
Proteiacutenas
Todas las proteiacutenas contienen carbono hidroacutegeno oxiacutegeno y nitroacutegeno y la mayoriacutea contienen azufre Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos los cuales son aacutecidos orgaacutenicos que
contienen un grupo amino (-NH2 ) y un grupo carboxilo (Figura 2-12 A) Existen 20 tipos baacutesicos de aminoaacutecidos de los cuales los humanos soacutelo pueden sintetizar 12 de ellos a partir de moleacuteculas orgaacutenicas simples pero los restantes ocho ldquoaminoaacutecidos esencialesrdquo deben ser obtenidos de la dieta
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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FIGURA 2-12 middot Proteiacutenas A Dos ejemplos de aminoaacutecidos Cada aminoaacutecido
tiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) B Los aminoaacutecidos individuales estaacuten unidos C Una proteiacutena consiste de una cadena de diferentes
clases de aminoaacutecidos (representada por esferas de diferente color) D Una representacioacuten tri-dimensional de la cadena de aminoaacutecido mostrando los enlaces de hidroacutegeno entre diferentes aminoaacutecidos Los enlaces de hidroacutegeno ocasionan que la cadena de aminoaacutecido se pliegue o enrolle E Una proteiacutena completa mostrando su compleja forma
tridimensional
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Aunque existen solo 20 aminoaacutecidos ellos se pueden combinar para formar muchos tipos de proteiacutenas con caracteriacutesticas funcionales y estructurales uacutenicas (Figura 2-12 B a E) Diferentes tipos de proteiacutenas tienen diferentes clases y nuacutemeros de aminoaacutecidos organizados para formar una cadena de aminoaacutecidos (Figura 2-12 C)
Los enlaces de hidroacutegeno entre los aminoaacutecidos en la cadena hacen que se doblen o enrollen para adoptar una forma tri-dimensional especiacutefica (vea la Figura 2-12 D) La capacidad de las proteiacutenas para desempentildear sus funciones depende de su forma Si los enlaces de hidroacutegeno que mantienen la forma de la proteiacutena se rompen la proteiacutena se vuelve disfuncional Este cambio de forma se llama desnaturalizacioacuten y puede ser
causada por temperaturas anormalmente altas o cambios en el pH
Las proteiacutenas desempentildean muchas funciones importantes por ejemplo las enzimas y las proteiacutenas que regulan la velocidad de las reacciones quiacutemicas las proteiacutenas estructurales que proporcionan la armazoacuten de muchos de los tejidos del cuerpo y las proteiacutenas de los muacutesculos que son responsables de la contraccioacuten muscular FIGURA 2-13 middot Energiacutea de activacioacuten y enzimas A La energiacutea de activacioacuten se requiere para cambiar el ATP a ADP La repisa superior representa un estado maacutes alto de energiacutea y la repisa inferior representa un estado maacutes bajo de energiacutea La ldquoparedrdquo que se prolonga sobre la repisa superior representa la energiacutea de activacioacuten Auacuten cuando la energiacutea se libere cuando el ATP se convierte a ADP la ldquoparedrdquo de energiacutea de activacioacuten debe ser superada antes que la reaccioacuten pueda proceder B La enzima disminuye la energiacutea de activacioacuten permitiendo asiacute que la reaccioacuten ocurra con maacutes facilidad
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Enzimas Una enzima es una proteiacutena catalizadora que
aumenta la velocidad a la cual procede una reaccioacuten quiacutemica sin que la enzima misma sufra cambios permanentes Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones quiacutemicas por medio de la disminucioacuten de la energiacutea de activacioacuten que es la energiacutea necesaria para
iniciar una reaccioacuten quiacutemica por ejemplo se requiere calor en forma de chispa para iniciar la reaccioacuten entre el oxiacutegeno y la gasolina La mayoriacutea de las reacciones quiacutemicas que ocurren en el cuerpo tienen altas energiacuteas de activacioacuten las cuales son disminuidas por las enzimas (Figura 2-13) Las energiacuteas de activacioacuten asiacute disminuidas permiten que las reacciones procedan a velocidades que sostienen la vida Con una enzima la velocidad de una reaccioacuten quiacutemica puede ocurrir a maacutes de un milloacuten de veces maacutes raacutepido que sin la enzima La forma tri-dimensional de las enzimas es criacutetica para que funcione normalmente De acuerdo con el
modelo cerradura y llave de la accioacuten enzimaacutetica la
forma de una enzima y la de los reactantes permiten que la enzima se una faacutecilmente a los reactantes El hecho de que los reactantes se encuentren muy cerca entre siacute hace que se reduzca la energiacutea de activacioacuten Debido a que la enzima y los reactantes deben encajar muy bien entre siacute las enzimas son muy especiacuteficas para las reacciones que ellas controlan y cada enzima controla soacutelo un tipo de reaccioacuten quiacutemica Despueacutes que la reaccioacuten ha terminado la enzima es liberada y puede ser usada de nuevo (Figura 2-14) Los eventos quiacutemicos del cuerpo estaacuten regulados primordialmente por mecanismos que controlan ya sea la concentracioacuten o la actividad de las enzimas La velocidad de cada reaccioacuten quiacutemica estaacute determinada por la velocidad a la cual se producen las enzimas en las ceacutelulas o por si las enzimas se encuentran en forma activa o inactiva
FIGURA 2-14 middot Accioacuten enzimaacutetica La enzima hace que las dos moleacuteculas reactantes se junten Esto es posible debido a que las moleacuteculas reactantes se ldquoajustanrdquo a la forma de la enzima (modelo de cerradura y llave) Despueacutes que ha ocurrido la reaccioacuten la enzima inalterada puede ser usada de nuevo
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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FIGURA 2-15 middot Estructura del ADN Los nucleoacutetidos se unen para formar hebras de ADN Los nucleoacutetidos de una hebra estaacuten unidos a los nucleoacutetidos de otra hebra por enlaces de hidroacutegeno para formar una moleacutecula de ADN Asociadas al ADN estaacuten las proteiacutenas Generalmente la moleacutecula de ADN estaacute distendida parecieacutendose a un collar de cuentas y se llama cromatina Durante la divisioacuten celular la cromatina se condensa para formar cuerpos al interior de las ceacutelulas llamados cromosomas
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Aacutecidos nucleicos Los aacutecidos nucleicos son moleacuteculas grandes
compuestas de carbono hidroacutegeno oxiacutegeno nitroacutegeno y foacutesforo Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos los cuales son moleacuteculas orgaacutenicas que contienen un azuacutecar de cinco carbonos una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato (Figura 2-15) El aacutecido desoxirribonucleico es el material
geneacutetico de la ceacutelula y es el responsable de controlar las actividades celulares Los nucleoacutetidos del ADN contienen el azuacutecar desoxirribosa y forman dos cadenas que se enrollan entre siacute para formar una doble heacutelice Las moleacuteculas de ADN estaacuten asociadas con las proteiacutenas
RESUMEN
La quiacutemica es el estudio de la composicioacuten y estructura de las sustancias y las reacciones que eacutestas sufren QUIacuteMICA BAacuteSICA
El aacutetomo es la unidad maacutes pequentildea de materia que no se puede alterar por medios quiacutemicos
Un elemento es un tipo de materia compuesta de una sola clase de aacutetomos
La estructura de los aacutetomos
Los aacutetomos consisten de neutrones protones con carga positiva y electrones con carga negativa
Los electrones se encuentran en orbitales alrededor del nuacutecleo El nuacutecleo consiste de protones y neutrones
El nuacutemero atoacutemico es el nuacutemero de protones en un elemento
Electrones y enlaces quiacutemicos
Una moleacutecula consiste de dos o maacutes aacutetomos unidos por enlaces quiacutemicos Un compuesto es una moleacutecula formada por dos o maacutes clases diferentes de aacutetomos
Un enlace ioacutenico se forma cuando un electroacuten es transferido de un aacutetomo a otro
Un enlace covalente se forma cuando un par de electrones son compartidos entre aacutetomos Un enlace covalente polar es un compartimiento desigual de pares de electrones
Un enlace de hidroacutegeno es una deacutebil atraccioacuten entre polos de carga opuesta pertenecientes a dos moleacuteculas covalentes polares
REACCIONES QUIacuteMICAS Clasificacioacuten de las reacciones quiacutemicas
Una reaccioacuten de siacutentesis es la combinacioacuten de aacutetomos iones o moleacuteculas para formar una sustancia nueva y maacutes grande
para formar la cromatina Las proteiacutenas estaacuten
involucradas con las funciones reguladoras del ADN Durante la mayor parte de la vida de una ceacutelula la cromatina se organiza como un rosario (como el que usan los catoacutelicos para orar) sin embargo durante la divisioacuten celular la cromatina se reduce a estructuras llamadas cromosomas El ADN la cromatina y los
cromosomas son estudiados con maacutes detalle en el Capiacutetulo 3 El aacutecido ribonucleico (ARN) es una trenza
simple de los nucleoacutetidos y que contiene el azuacutecar ribosa Tres tipos diferentes de ARN estaacuten involucrados en la siacutentesis de las proteiacutenas (vea Capiacutetulo 3)
Una reaccioacuten de descomposicioacuten es la ruptura de grandes moleacuteculas en moleacuteculas maacutes pequentildeas iones o aacutetomos
Una reaccioacuten de intercambio es aquella en la cual las moleacuteculas son descompuestas una reaccioacuten de siacutentesis es aquella en la que los productos de la reaccioacuten de descomposicioacuten se combinan para formar nuevas moleacuteculas
Reacciones quiacutemicas y energiacutea
La energiacutea existe en los enlaces quiacutemicos como energiacutea almacenada
La energiacutea se libera en las reacciones quiacutemicas cuando los productos contienen menos energiacutea almacenada que los reactantes
La energiacutea es absorbida cuando los productos contienen maacutes energiacutea almacenada que los reactantes
Velocidad de las reacciones quiacutemicas
La velocidad de las reacciones quiacutemicas aumenta cuando aumenta la concentracioacuten de los reactantes cuando aumenta la temperatura o cuando estaacute presenta una enzima
Las enzimas incrementan la velocidad de las reacciones quiacutemicas sin sufrir alteraciones permanentes
Reacciones reversibles
En una reaccioacuten reversible los reactantes pueden dar lugar a la formacioacuten de productos o los productos pueden formar reactantes
La cantidad de reactantes respecto de la cantidad de productos permanece constante en el equilibrio
AacuteCIDOS Y BASES
Los aacutecidos son donadores de protones (ion hidroacutegeno) y las bases son aceptores de protones
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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La escala pH
Una solucioacuten neutra tiene igual nuacutemero de iones hidroacutegeno y iones hidroacutexido y un pH de 70
Una solucioacuten aacutecida tiene maacutes iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH menor que 70
Una solucioacuten baacutesica tiene menor nuacutemero de iones hidroacutegeno que iones hidroacutexido y un pH mayor que 70
Sales
Los buffers son sustancias quiacutemicas que se resisten a cambios de pH cuando se les agregan aacutecidos o bases
AGUA
El agua transfiere el calor de manera muy efectiva dentro del cuerpo actuacutea como lubricante es necesaria en muchas reacciones quiacutemicas y disuelve muchas sustancias
Algunas sustancias se pueden disociar en agua para formar iones
MOLEacuteCULAS ORGAacuteNICAS
Las moleacuteculas orgaacutenicas contienen carbono las inorgaacutenicas no (el dioacutexido de carbono es una excepcioacuten)
Los carbohidratos proporcionan energiacutea al cuerpo Los monosacaacuteridos son los bloques de construccioacuten de carbohidratos maacutes complejos tales como los disacaacuteridos y policasaacuteridos
REPASO DEL CONTENIDO
1 Defina Quiacutemica iquestPor queacute es importante comprender la quiacutemica
2 Liste los componentes de un aacutetomo y explique coacutemo estaacuten organizados dentro del aacutetomo Compare las cargas de las partiacuteculas subatoacutemicas
3 iquestQueacute es una foacutermula quiacutemica 4 Establezca la diferencia entre los enlaces ioacutenico
covalente covalente polar y de hidroacutegeno Defina ion
5 Defina reaccioacuten quiacutemica Describa las reacciones de siacutentesis descomposicioacuten e intercambio y de un ejemplo de cada una de ellas
6 De un ejemplo de una reaccioacuten quiacutemica que libera energiacutea y un ejemplo de una que requiere se le proporcione energiacutea
7 Liste tres maneras en que puede incrementarse la velocidad de las reacciones quiacutemicas
Los liacutepidos proporcionan energiacutea (grasas) con componentes estructurales (fosfoliacutepidos) y regulan los procesos fisioloacutegicos (esteroides) Los bloques de construccioacuten de las grasas son el glicerol y los aacutecidos grasos
Las proteiacutenas regulan las reacciones quiacutemicas (enzimas) son componentes estructurales y provocan la contraccioacuten muscular
Los bloques de construccioacuten de las proteiacutenas son los aminoaacutecidos La desnaturalizacioacuten de las proteiacutenas desestabiliza los enlaces de hidroacutegeno lo que hace cambiar la forma de las proteiacutenas y la vuelve disfuncional Las enzimas son especiacuteficas se ligan a los reactantes de acuerdo con el modelo cerradura y llave y actuacutean para disminuir la energiacutea de activacioacuten
Los aacutecidos nucleicos incluyen el ADN el material geneacutetico y el ARN el cual estaacute involucrado en la siacutentesis de las proteiacutenas Los bloques de construccioacuten de los aacutecidos nucleicos son los nucleoacutetidos que consisten de un azuacutecar (desoxirribosa o ribosa) una base de nitroacutegeno y un grupo fosfato
8 iquestQueacute significa condicioacuten de equilibrio en una reaccioacuten reversible
9 iquestQueacute es un aacutecido y queacute es una base Describa la escala pH
10 Defina sal iquestQueacute es un buffer y por queacute son
importantes 11 Liste cuatro funciones que el agua realiza en el
cuerpo humano 12 Defina moleacutecula orgaacutenica y moleacutecula inorgaacutenica 13 Nombre los cuatro tipos principales de
moleacuteculas orgaacutenicas y proporcione una funcioacuten de cada una de ellas
14 Describa la accioacuten de las enzimas en teacuterminos de energiacutea de activacioacuten y del modelo cerradura y llave
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
31
no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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REPASO DE CONCEPTOS 1 Si un aacutetomo de yodo (I) gana un electroacuten iquestcuaacutel seriacutea
el cambio en la carga del ion resultante Escriba el siacutembolo de este ion
2 Para cada una de las siguientes reacciones quiacutemicas determine si se trata de una reaccioacuten de siacutentesis descomposicioacuten intercambio o disociacioacuten
a HCl rarr H+ + Cl
ndash
b Glucosa + Fructosa rarr Sacarosa (azuacutecar de mesa)
c NaHCO3 + HCl rarr H2 CO3 + NaCl d 2H2 O rarr 2H2 + O2
3 Una mezcla de sustancias quiacutemicas se calienta ligeramente como consecuencia a pesar de que se agregoacute muy poco calor la solucioacuten se calienta mucho Explique que ocurrioacute y que hizo que la solucioacuten se calentara
p 25 Ya que los aacutetomos son eleacutectricamente neutros el aacutetomo de hierro (Fe) tiene el mismo nuacutemero de protones y electrones La peacuterdida de tres electrones produce un ion que tiene tres protones maacutes que electrones y por tanto una carga de maacutes tres El siacutembolo correcto es Fe
3+
p 25 Debido a que los electrones pasan maacutes tiempo alrededor del aacutetomo de oxiacutegeno el polo de oxiacutegeno de la moleacutecula es ligeramente maacutes negativo que el polo de hidroacutegeno maacutes positivo de la moleacutecula p 28 Durante el ejercicio las contracciones
musculares aumentan esto requiere la liberacioacuten de energiacutea almacenada durante las reacciones quiacutemicas Por ejemplo la energiacutea almacenada en el enlace de fosfato del ATP se descompone para producir ADP Parte de la energiacutea es empleada para impulsar las contracciones musculares y parte se libera en forma de calor Ya que la velocidad de estas reacciones aumenta durante el ejercicio se produce maacutes calor que cuando se estaacute en reposo y la temperatura corporal aumenta
4 En teacuterminos de la energiacutea almacenada en los enlaces quiacutemicos explique por queacute es necesario ingerir alimentos para aumentar la masa muscular
5 Dado que la concentracioacuten de iones hidroacutegeno en una solucioacuten estaacute basada en la siguiente reaccioacuten reversible
CO2 + H2O harr H+ + HCO
-3
iquestQueacute le pasaraacute al pH de la solucioacuten si se agrega NaHCO3 (bicarbonato de sodio) (Pista el bicarbonato de sodio se disociaraacute para formar iones Na
+ y HCO
-3 )
p 29 El dioacutexido de carbono y el agua estaacuten
en equilibrio con los iones hidroacutegeno y iones bicarbonato Una disminucioacuten del dioacutexido de carbono ocasiona que algunos iones hidroacutegeno reacciones con los iones bicarbonato para formar dioacutexido de carbono y agua consecuentemente la concentracioacuten del ion hidroacutegeno disminuye p 30 Note que los buffers remueven iones H
+
cuando se agrega aacutecido a una solucioacuten amortiguadora Es razonable esperar que un buffer libere iones H
+
cuando se agrega una base a una solucioacuten amortiguadora los iones H
+ liberados se pueden
combinar con la base para prevenir un aumento en el pH Por ejemplo los iones H
+ se pueden combinar con los
iones OH- para formar agua
RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE PREDICCIOacuteN
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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ESTRUCTURAS DE LA CEacuteLULA Y SUS FUNCIONES Despueacutes de leer este capiacutetulo usted seraacute capaz de
1 Describir la estructura de la membrana
plasmaacutetica 2 Describir la estructura y funcioacuten del nuacutecleo y
nucleolo 3 Comparar la estructura y funcioacuten del retiacuteculo
endoplasmaacutetico liso y rugoso 4 Describir las funciones de los aparatos de Golgi
y las vesiacuteculas secretoras en la secrecioacuten 5 Explique el rol de los lisosomas en la digestioacuten
de material ingresado a las ceacutelulas por fagocitosis
6 Describa la estructura y funcioacuten de la mitocondria
7 Compare la estructura y funcioacuten de los cilios flagelos y micovellosidades
8 Explique por queacute la membrana plasmaacutetica es maacutes permeable a sustancias solubles en liacutepidos y a moleacuteculas pequentildeas que a sustancias grandes y solubles en agua
9 Explique el rol de la oacutesmosis y de la presioacuten osmoacutetica en el control del movimiento del agua a traveacutes de la membrana celular Compare las soluciones hipotoacutenicas isotoacutenicas e hipertoacutenicas
10 Defina transporte mediado y compare los procesos de difusioacuten facilitada y transporte activo
11 Describa la endocitosis y la exocitosis 12 Describa el proceso de siacutentesis de las proteiacutenas 13 Explique queacute ocurre durante la mitosis y
meiosis 14 Defina diferenciacioacuten y explique coacutemo ocurre
Transporte activo
Proceso mediado de transporte que requiere ATP y puede transportar sustancias al interior y exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Difusioacuten [L diffundo fluir en diferentes
direcciones] Tendencia de moleacuteculas de soluto a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten a una de baja concentracioacuten en una solucioacuten Retiacuteculo endoplasmaacutetico (RE)
Red de membranas al interior del citoplasma el RE rugoso tiene ribosomas adheridos a la superficie maacutes no los RE lisos Difusioacuten facilitada
Proceso mediado de transporte que no requiere ATP y transporta sustancias al interior y al exterior de las ceacutelulas desde una baja hasta una alta concentracioacuten Aparato de Golgi
Sacos aplanados limitados por membranas que recogen modifican empacan y distribuyen proteiacutenas y liacutepidos Mitocondrias [Gr mitos hebra + chandros graacutenulo] Pequentildeas estructuras de forma de frijol o cantildea que se encuentran en el citoplasma y que son sitios de produccioacuten de ATP
Mitosis
[Gr hebra] Divisioacuten del nuacutecleo Proceso de divisioacuten celular que conduce a dos ceacutelulas hermanas con exactamente el mismo nuacutemero y tipo de cromosomas que las de la ceacutelula madre Meiosis [Gr hacer maacutes pequentildeo]
Proceso de divisioacuten celular que resulta en gametos Consiste de dos divisiones celulares que resultan en cuatro ceacutelulas cada una de las cuales contiene la mitad del nuacutemero de cromosomas que las de la ceacutelula madre Nuacutecleo
[L dentro de algo] Organelo celular que contiene la mayoriacutea del material geneacutetico de la ceacutelula Oacutesmosis
[Gr osmos impulso] Difusioacuten de solvente (agua) a traveacutes de membranas selectivamente permeables desde una solucioacuten de menor concentracioacuten hasta una de mayor concentracioacuten Membrana plasmaacutetica
Membrana celular el componente maacutes externo de la ceacutelula rodeando y uniendo el resto de contenidos de la ceacutelula Ribosoma
Organelo pequentildeo esfeacuterico y citoplasmaacutetico en el cual ocurre la siacutentesis de las proteiacutenas
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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a ceacutelula es la unidad baacutesica de vida de todos los organismos Los organismos maacutes simples estaacuten formados por una sola ceacutelula mientras que los humanos estaacuten compuestos de trillones de ceacutelulas El estudio de las ceacutelulas es un importante eslaboacuten entre el estudio de la quiacutemica en
el Capitulo 2 y los tejidos en el Capitulo 4 El conocimiento de la quiacutemica hace posible comprender a las ceacutelulas ya que eacutestas estaacuten compuestas de moleacuteculas que son responsables de muchas de las caracteriacutesticas de las ceacutelulas Las ceacutelulas por su parte determinan la forma y funciones de los tejidos del cuerpo Este capitulo examina la estructura de las ceacutelulas y coacutemo las mismas desempentildean las actividades necesarias para la vida ESTRUCTURA Y FUNCIOacuteN CELULAR
Cada ceacutelula es una unidad altamente organizada Dentro de las ceacutelulas existen estructuras especializadas llamadas organelos los cuales desempentildean funciones especiacuteficas (Figura 3-1) El nuacutecleo es un organelo que contiene el
material geneacutetico de la ceacutelula que controla a la ceacutelula El material vivo que rodea al nuacutecleo se llama citoplasma y
contiene muchos otros tipos de organelos El citoplasma estaacute circundado por la membrana plasmaacutetica
La cantidad y tipos de organelos dentro de cada ceacutelula determinan la estructura y funcioacuten especiacuteficas de la ceacutelula (Tabla 3-1) Por ejemplo las ceacutelulas que secretan grandes cantidades de proteiacutena contienen organelos bien desarrollados quienes sintetizan y secretan proteiacutena
mientras que las ceacutelulas musculares tienen organelos que le permiten a las ceacutelulas contraerse Las siguientes secciones describen la estructura y principales funciones de los organelos maacutes importantes encontrados en las ceacutelulas Membrana plasmaacutetica
La membrana plasmaacutetica o membrana celular es el componente maacutes externo de la ceacutelula La membrana celular encierra el citoplasma y constituye una frontera entre el material al interior de la ceacutelula y el material fuera de la ceacutelula Las sustancias que se encuentran fuera de la ceacutelula se llaman sustancias extracelulares y las que se encuentran dentro sustancias intracelulares Ademaacutes de
encerrar y darle sosteacuten a los contenidos de la ceacutelula la membrana celular es una barrera selectiva que determina queacute entra y queacute sale de la ceacutelula Las principales moleacuteculas que estructuran la membrana celular son los fosfoliacutepidos y las proteiacutenas Ademaacutes la membrana contiene otras moleacuteculas tales como colesterol carbohidratos agua y iones Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos forman una doble capa de moleacuteculas con otros fosfoliacutepidos tal como el colesterol entremezclaacutendose entre ellas Las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ordenadas de modo que el extremo polar que contiene fosfato estaacute de frente al exterior de cada lado de la membrana Los extremos polares de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten expuestos hacia los extremos polares de las moleacuteculas de agua dentro y fuera de la ceacutelula Los extremos no polares de aacutecido graso de las moleacuteculas de fosfoliacutepidos estaacuten ubicados frente a frente entre siacute para
Organelos y sus funciones y localizaciones
ORGANELOS LOCALIZACIOacuteN Y FUNCIOacuteN (ES)
Nuacutecleo Casi siempre cerca del centro de la ceacutelula contiene el material geneacutetico de la ceacutelula (ADN) y los nucleolos lugar de la siacutentesis del ribosoma y del (ARN)
Nucleolo En el nuacutecleo lugar de la siacutentesis del ARN ribosomal y proteiacutena ribosomal
Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso (RE rugoso) En el citoplasma muchos ribosomas adheridos al RE lugar de siacutentesis de proteiacutenas
Retiacuteculo endoplaacutesmico liso (RE liso) En el citoplasma lugar de siacutentesis de liacutepidos
Aparato de Golgi En el citoplasma modifica la estructura de las proteiacutenas y empaqueta las proteiacutenas en vesiacuteculas secretoras
Vesiacutecula secretora En el citoplasma contiene materiales producidos en la ceacutelula estaacute formado por el aparato de Golgi liberacioacuten por exocitosis
Lisosoma En el citoplasma contiene enzimas que digieren el material al interior de la ceacutelula
Mitocondria En el citoplasma lugar del metabolismo oxidativo y el sitio principal para la siacutentesis del ATP
Microtuacutebulo En el citoplasma sostiene el citoplasma ayuda en la divisioacuten celular y
Cilios En la superficie de la ceacutelula y en gran cantidad en cada ceacutelula los cilios mueven sustancias sobre la superficie de las ceacutelulas
Flagelo En la superficie de la ceacutelula con uno por ceacutelula impulsa las ceacutelulas de la esperma
Microvellosidades Extensiones de la superficie celular y en gran cantidad en cada ceacutelula aumentan el aacuterea superficial de las ceacutelulas
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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FIGURA 3-1 middot Ceacutelula generalizada mostrando los principales organelos Ninguna ceacutelula individual contiene todos los tipos de organelos Ademaacutes algunas clases de ceacutelulas contienen muchos organelos de un solo tipo y otras clases de ceacutelulas contienen muy pocos
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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formar una doble capa que funciona como una barrera de liacutepidos entre el interior y el exterior de la ceacutelula (Figura 3-2) Los estudios de la organizacioacuten de las moleacuteculas en la membrana celular han conducido a un modelo de su estructura llamada el modelo de mosaico fluido La doble
capa de moleacuteculas de fosfoliacutepidos tienen una cualidad liquida y las moleacuteculas de proteiacutena ldquoque flotanrdquo dentro de los fosfoliacutepidos se pueden extender desde el interior hasta la superficie exterior de la membrana de plasma Las moleacuteculas de carbohidratos estaacuten unidas a algunas moleacuteculas de proteiacutena Las proteiacutenas funcionan como canales de la membrana transportador de moleacuteculas receptor de moleacuteculas enzimas o soporte estructural en la membrana Los canales de la membrana y las moleacuteculas transportadoras estaacuten involucradas en el
movimiento de sustancias a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Las moleacuteculas receptoras forman parte de un
sistema de comunicacioacuten intercelular que posibilita la coordinacioacuten de las actividades de las ceacutelulas Por ejemplo una ceacutelula nerviosa puede liberar un mensajero quiacutemico que se mueve hacia una ceacutelula muscular y que se liga temporalmente a su receptor La ligazoacuten actuacutea como una sentildeal que provoca una respuesta tal como una contraccioacuten de una ceacutelula muscular
Nuacutecleo
El nuacutecleo es un organelo grande que generalmente se
localiza cerca del centro de la ceacutelula (vea Figura 3-1) Todas las ceacutelulas del cuerpo tienen un nuacutecleo en alguacuten momento de su ciclo de vida aunque algunas ceacutelulas tal como los gloacutebulos rojos pierden sus nuacutecleos a medida se desarrollan Otras ceacutelulas contienen maacutes de un nuacutecleo tales como la osteoclasta (un tipo de ceacutelula oacutesea) y las ceacutelulas muacutesculo esqueleacuteticas El exterior del nuacutecleo es la envoltura nuclear la
que estaacute formada por dos membranas con un estrecho espacio entre ellas (Figura 3-3) En muchos puntos sobre la superficie del nuacutecleo las membranas interna y externa se juntan para formar los poros nucleares a traveacutes de los
cuales pueden pasar materiales hacia dentro y fuera del nuacutecleo El nuacutecleo contiene fibras enrolladas holgadamente llamadas cromatina las cuales consisten de acido
deoxirribonucleico (ADN) y proteiacutenas Durante la divisioacuten celular las fibras de cromatina se enrollan maacutes apretadamente para formar los 23 pares de cromosomas
caracteriacutesticos de las ceacutelulas humanas (vea Divisioacuten celular) Las moleacuteculas de ADN forman los geacuteneros que determinan la estructura y funcioacuten de cada ceacutelula y del individuo
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Nucleolos y ribosomas Los nucleolos se cuentan de uno a cuatro por nuacutecleo son
redondos densos cuerpos nucleares bien definidos sin ninguna membrana que los rodee Las subunidades de ribosomas son producidas dentro de un nucleolo Las proteiacutenas producidas en el citoplasma se mueven a traveacutes de los poros nucleares hacia el interior del nuacutecleo y del nucleolo Las proteiacutenas se unen al aacutecido ribonucleico ribosomal (rARN) producido dentro del nucleolo para
formar subunidades ribosomales grandes y pequentildeas (Figura 3-4) estas subunidades se mueven luego desde el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares hasta el interior del citoplasma donde una subunidad grande y una pequentildea se unen para formar un ribosoma Los ribosomas son los organelos en los cuales
se producen las proteiacutenas (vea Siacutentesis de proteiacutenas) Los ribosomas se pueden encontrar libres en el citoplasma o asociados con una membrana llamada el retiacuteculo endoplasmaacutetico FIGURA 3-4 middot Produccioacuten de ribosomas En 1 las proteiacutenas producidas en el citoplasma son transportadas a traveacutes de poros nucleares al interior del nucleolo En 2 el rARN la mayoriacutea del cual es producido in el nucleolo se ensambla con las proteiacutenas para formar sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes En 3 las sub-unidades ribosomales pequentildeas y grandes abandonan el nucleolo y el nuacutecleo a traveacutes de los poros nucleares En 4 las sub-unidades pequentildeas y grandes ahora en el citoplasma se combinan entre siacute y con el mARN
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Retiacuteculo endoplaacutesmico rugoso y liso
El retiacuteculo endoplaacutesmico (RE) es una sucesioacuten de
membranas que se extienden desde el exterior de la membrana nuclear hasta el interior del citoplasma El RE rugoso es un RE con ribosomas adheridos a eacutel (vea
Figura 3-3) Debido a que el RE rugoso tiene muchos ribosomas una gran cantidad de RE rugosos en una ceacutelula indica que los RE sintetizan proteiacutenas Por otra parte los RE sin ribosomas se llaman RE lisos y son un sitio para la
siacutentesis de liacutepidos en las ceacutelulas El aparato de Golgi
El aparato de Golgi (nombrado asiacute por Camillo Golgi un
histoacutelogo italiano) consiste de sacos apilados de forma curva y limitados por membranas (Figura 3-5) Recolecta modifica empaca y distribuye proteinas y lipidos producidos por el RE Por ejemplo las proteinas producidas en los ribosomas ingresan al aparato de Golgi provenientes del RE En algunos casos el aparato de Golgi modifica quiacutemicamente las proteiacutenas adhirieacutendoles carbohidratos o moleacuteculas de liacutepidos luego las proteiacutenas
son empacadas dentro de sacos de membrana que se desprenden de los bordes del aparato de Golgi (vea Vesiacuteculas secretorias) El aparato de Golgi
estaacute presente en grandes cantidades y es en las ceacutelulas
que secretan proteiacutenas donde alcanza su maacutes alto grado de desarrollo tal como las ceacutelulas de las glaacutendulas salivales o el paacutencreas Vesiacuteculas secretorias
Una vesiacutecula es un pequentildeo saco limitado por membrana
y que transporta o almacena materiales dentro de las ceacutelulas Las vesiacuteculas secretorias perforan y salen del
aparato de Golgi y se mueven a la superficie de la ceacutelula (vea Figura3-5) Luego su membrana se funde con la membrana de la ceacutelula y el contenido de la vesiacutecula se libera al exterior de la ceacutelula En muchas ceacutelulas las vesiacuteculas secretorias se acumulan en el citoplasma y se liberan al exterior cuando la ceacutelula recibe una sentildeal Por ejemplo las vesiacuteculas secretorias que contienen la hormona insulina permanecen en el citoplasma de las ceacutelulas pancreaacuteticas hasta que los niveles en ascenso de glucosa en la sangre actuacutean como un estimulo para su liberacioacuten Lisosomas Los lisosomas son vesiacuteculas limitadas por membrana y
que se forman a partir del aparato de Golgi contienen una variedad de enzimas que funcionan como sistemas digestivos intracelulares (vea Figura 3-1) Los materiales ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
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ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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ingeridos por las ceacutelulas estaacuten encerrados dentro de vesiacuteculas que se funden con los lisosomas y las enzimas dentro de los lisosomas descomponen los materiales ingeridos Por ejemplo los gloacutebulos blancos atrapan las bacterias y las enzimas dentro de los lisosomas las destruyen Tambieacuten cuando los tejidos estaacuten dantildeados los lisosomas rotos al interior de las ceacutelulas dantildeadas liberan sus enzimas y digieren tanto las ceacutelulas sanas como las dantildeadas Las enzimas liberadas son las responsables en parte de la inflamacioacuten resultante (vea Capitulo 4) Mitocondrias Las mitocondrias son pequentildeas organelos de forma de
frijol y cantildea con membranas interior y exterior separadas por un espacio (Figura 3-6) Las membranas exteriores tienen un contorno liso pero las internas tienen numerosos pliegues llamados crestas las que se proyectan como
repisas al interior de las mitocondrias Las mitocondria son los principales sitios de la produccioacuten de adenosina trifostato (ATP) dentro de las ceacutelulas el ATP es la principal fuente de energiacutea para la mayoriacutea de reacciones quiacutemicas dentro de la ceacutelula y aquellas ceacutelulas con grandes requerimientos de energiacutea poseen maacutes mitocondrias que las que requieren menos energiacutea Las mitocondrias llevan a cabo el metabolismo oxidativo en el cual se requiere
oxiacutegeno para permitir que ocurran las reacciones que
Algunas enfermedades resultan del no funcionamiento de las enzimas lisosomales Por ejemplo la enfermedad de Pompe resulta de la incapacidad de las enzimas lisosomales para descomponer el carbohidrato glucoacutegeno El glucoacutegeno se acumula en grandes cantidades en el corazoacuten el hiacutegado y los muacutesculos esqueleacuteticos La acumulacioacuten de glucoacutegeno en las ceacutelulas de muacutesculo cardiacuteaco con frecuencia conducen a fallas del corazoacuten Los padecimientos de almacenamiento de liacutepidos son con frecuencia hereditarios y estaacuten caracterizados por la acumulacioacuten de grandes cantidades de liacutepidos en las ceacutelulas fagociacuteticas Estas ceacutelulas toman los liacutepidos por fagocitosis pero carecen de las enzimas requeridas para descomponer las gotas de liacutepido Los siacutentomas incluyen agrandamiento del bazo e hiacutegado y reemplazamiento de la meacutedula espinal por fagocitos rellenos de liacutepidos
producen ATP Las ceacutelulas que llevan a cabo el transporte activo extensivo (vea transporte activo) contienen muchas mitocondrias y cuando los muacutesculos se agrandan como resultado del ejercicio las mitocondrias aumentan en nuacutemero dentro de las ceacutelulas musculares y proporcionan el ATP adicional requerido por la contraccioacuten muscular
29
Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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Cito esqueleto El citoesqueleto consiste de proteiacutenas que sostienen la
ceacutelula mantiene los organelos en su lugar y facultan a la ceacutelula para que cambie de forma El citoesqueleto consiste de microtuacutebulos microfilamentos y filamentos intermedios (Figura 3-7) Los microtuacutebulos son pequentildeas fibrillas de
proteiacutena que soportan estructuralmente al citoplasma Algunos microfilamentos estaacuten involucrados en los movimientos de la ceacutelula Por ejemplo los microfilamentos en las ceacutelulas musculares posibilitan que las ceacutelulas se acorten o contraigan Los filamentos intermedios son fibrillas de
proteiacutena que son maacutes pequentildeas en diaacutemetro que los microtuacutebulos pero maacutes grandes in diaacutemetro que los microfilamentos Proporcionan soporte mecaacutenico a la ceacutelula Cilios flagelos y microvellosidades Los cilios se proyectan desde la superficie de las ceacutelulas y
son capaces de moverse Variacutean en nuacutemero desde uno a miles por ceacutelula Los cilios tienen una forma ciliacutendrica contienen microtuacutebulos especializados y estaacuten encerrados por la membrana celular Los cilios son numerosos en la superficie de las ceacutelulas que forran el tracto respiratorio Su movimiento coordinado mueve el mucus en el que se encuentran inmersas partiacuteculas de polvo hacia arriba y lejos de los pulmones esta accioacuten ayuda a mantener los pulmones limpios de desechos Los flagelos tienen una estructura similar a la de
los cilios pero son maacutes largos y generalmente soacutelo hay uno por ceacutelula Por ejemplo cada ceacutelula de esperma tiene un flagelo el cual funciona para impulsar las ceacutelulas de esperma
Las microvellosidades son extensiones especializadas de
la membrana celular y que estaacuten sostenidas por microfilamentos (vea Figura 3-1) Las microvellosidades son numerosas en las ceacutelulas que las tienen y funcionan para aumentar el aacuterea superficial de esas ceacutelulas Son abundantes en la superficie de las ceacutelulas que forran el intestino los rintildeones y otras aacutereas en las cuales la absorcioacuten es una funcioacuten importante
PREDECIR
Liste los organelos que seriacutean comunes en
las ceacutelulas que (a) sintetizan y segregan proteiacutenas
(b) transportan de manera activa sustancias al
interior de las ceacutelulas y (c) ingieren sustancias
extrantildeas Explique la funcioacuten de cada organelo que
liste
ACTIVIDAD CELULAR COMPLETA
Para comprender coacutemo funciona una ceacutelula debe tenerse en cuenta las interacciones entre los organelos Por ejemplo el transporte de muchas moleacuteculas alimenticias al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica requiere ATP y proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica El ATP es producido por la mitocondria La produccioacuten de proteiacutenas de la membrana plasmaacutetica requiere que los aminoaacutecidos sean transportados al interior de la ceacutelula por la membrana plasmaacutetica Las instrucciones proporcionadas por el nuacutecleo ocasionan que los aminoaacutecidos se combinen en los
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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ribosomas para formar proteiacutenas Asiacute una imagen de la interdependencia mutua de los organelos emerge cuando se examina la ceacutelula completa Las secciones siguientes Movimiento a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Siacutentesis de las proteiacutenas y Divisioacuten celular ilustran las interacciones de los organelos y que conducen al funcionamiento de la ceacutelula MOVIMIENTO A TRAVEacuteS DE LA MEMBRANA PLASMAacuteTICA
La membrana plasmaacutetica (membrana celular) es selectivamente permeable permitiendo que algunas
sustancias y no otras pasen al interior o al exterior de la ceacutelula El material intracelular tiene una composicioacuten diferente del material extracelular y la supervivencia de las ceacutelulas depende de la conservacioacuten de esta diferencia Sustancias tales como las enzimas glucoacutegeno y iones potasio se encuentran a maacutes altas concentraciones al interior de las ceacutelulas mientras que el sodio calcio y iones cloruro se encuentran a mayores concentraciones al exterior de las ceacutelulas Ademaacutes los nutrientes deben ingresar a las ceacutelulas de manera continua y los productos de desecho deben salir Debido a las caracteriacutesticas de permeabilidad de la membrana plasmaacutetica y su capacidad para transportar ciertas moleacuteculas las ceacutelulas son capaces de mantener concentraciones intracelulares apropiadas de las moleacuteculas La ruptura de la membrana la alteracioacuten de sus caracteriacutesticas de permeabilidad o la inhibicioacuten de los procesos de transporte pueden alterar la concentracioacuten intracelular normal de las moleacuteculas y conducir a la muerte de la ceacutelula Las moleacuteculas pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica (1) pasando a traveacutes de las capas de fosfoliacutepidos (2) movieacutendose a traveacutes de los canales de la membrana (3) siendo transportada por moleacuteculas
transportadoras y (4) siendo transportada dentro de las vesiacuteculas Las moleacuteculas solubles en liacutepidos tal como el oxiacutegeno pasan a traveacutes de la membrana plasmaacutetica disolvieacutendose en le doble capa de fosfoliacutepidos estas capas actuacutean como una barrera para la mayoriacutea de sustancias que no son solubles en liacutepidos pero ciertas moleacuteculas pequentildeas insolubles en liacutepidos tales como el agua dioacutexido de carbono y urea se pueden difundir entre las moleacuteculas de fosfoliacutepidos de la membrana plasmaacutetica Los canales de la membrana plasmaacutetica
consisten de grandes moleacuteculas de proteiacutena y se extienden desde una superficie de la membrana hasta la otra (vea Figura 3-2) Existen varios tipos de canales y cada tipo permite el paso de ciertas moleacuteculas a traveacutes de ellos El tamantildeo forma y carga de las moleacuteculas es lo que determina si pasaraacuten o no a traveacutes de cada tipo de canal Por ejemplo los iones sodio pasan a traveacutes de canales de sodio y los iones potasio y cloruro pasan a traveacutes de canales de potasio y cloruro respectivamente El movimiento raacutepido de agua a traveacutes de la membrana plasmaacutetica ocurre aparentemente a traveacutes de los canales de la membrana Las moleacuteculas polares grandes que no son solubles en liacutepidos tales como la glucosa y los aminoaacutecidos no pueden pasar a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en cantidades significantes a menos que sean trasportadas por moleacuteculas transportadoras especiales Las sustancias que son transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica por moleacuteculas transportadoras se dice que son transportadas por procesos de transporte mediado Las moleacuteculas transportadoras son proteiacutenas
que se extienden desde un lado de la membrana celular hasta el otro Ellas se unen a moleacuteculas para ser transportadas y movidas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica Cada moleacutecula transportadora acarrea un tipo especiacutefico de moleacutecula por ejemplo las moleacuteculas que transportan glucosa a traveacutes de la membrana plasmaacutetica
Relaciones entre la estructura y funcioacuten de la ceacutelula
Cada ceacutelula estaacute muy bien adaptada para las funciones que desempentildea y la abundancia de organelos en cada ceacutelula refleja la funcioacuten de la misma Por ejemplo las ceacutelulas epiteliales que forran los pasajes respiratorios de mayor diaacutemetro segregan mucus y lo transportan hacia la garganta donde es o tragado o expulsado del cuerpo por medio de la tos Las partiacuteculas de polvo y otros desechos suspendidos en el aire son atrapados por el mucus La produccioacuten y transporte de mucus funciona para mantener limpios los pasajes respiratorios Las ceacutelulas de los pasajes respiratorios contienen abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias y cilios Los ribosomas sobre el RE rugoso
constituyen los sitios en loa cuales las proteiacutenas que son un principal componente del mucus son producidas Los aparatos de Golgi empacan las proteiacutenas y otros componentes del mucus al interior de las vesiacuteculas secretorias las que se luego se mueven a la superficie de las ceacutelulas epiteliales Sus contenidos son liberados sobre la superficie de las ceacutelulas epiteliales para que luego los cilios sobre la superficie celular impulsen el mucus hacia la garganta En la gente que fuma la exposicioacuten prolongada de epitelio respiratorio a la irritacioacuten del tabaco hace que las ceacutelulas epiteliales
respiratorias cambian tanto de estructura como de funcioacuten Las ceacutelulas se aplanan y se forman varias capas de ceacutelulas epiteliales Las ceacutelulas epiteliales planas dejan de contener abundante RE rugoso aparatos de Golgi vesiacuteculas secretorias o cilios Las ceacutelulas estaacuten adaptadas para proteger de la irritacioacuten a las ceacutelulas subyacentes pero dejan de funcionar para limpiar los pasajes respiratorios El reemplazo intensivo de ceacutelulas epiteliales normales en los pasajes respiratorios esta correlacionado con inflamacioacuten croacutenica de los pasajes respiratorios (bronquitis) lo que es frecuente en personas que fuman mucho
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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VII Referencias 1 httpwwwwordreferencecom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 2 httpdiccionariobabyloncommedicinadiccionario-de-terminos-medicos Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 3 httptranslategooglecomsvtranslatehl=esamplangpair=en|esampu=httpwwwmedtermscom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 4 httpwwwentradagratiscom25Enciclopedia-de-Medicina-anatomia-y-fisiologiahtm Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 5 httpwwwaskoxfordcomdictionaries Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010 6 httpwwwmerriam-webstercom Consultado durante el periacuteodo de Enero 2009 a marzo de 2010
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no transportan aminoaacutecidos y las moleacuteculas que transportan aminoaacutecidos no transportan glucosa Grandes moleacuteculas insolubles en liacutepidos pequentildeas piezas de materia y aun ceacutelulas enteras pueden ser transportadas a traveacutes de la membrana plasmaacutetica en una vesiacutecula la cual consiste de un saco ligado a una membrana Debido a la naturaleza fluida de las membranas la vesiacutecula y la membrana plasmaacutetica se pueden fusionar permitiendo que los contenidos de la vesiacutecula crucen la membrana plasmaacutetica DIFUSIOacuteN Una solucioacuten es un liacutequido o gas consistente de una o maacutes sustancias llamadas solutos disueltos en el liacutequido o gas predominante el cual es llamado solvente La difusioacuten puede ser vista como la tendencia de las
moleacuteculas de soluto en la solucioacuten a moverse desde un aacuterea de alta concentracioacuten hasta un aacuterea de baja concentracioacuten (Figura 3-8 A y B) Ejemplos de difusioacuten son el movimiento y distribucioacuten de humo o perfume en toda una habitacioacuten en la cual no hay corrientes de aire o de un colorante en agua en reposo contenida en un beaker La difusioacuten es el resultado del movimiento al azar y constante de todos los aacutetomos moleacuteculas o iones en una solucioacuten Debido a que existen maacutes partiacuteculas de soluto en un aacuterea de alta concentracioacuten que en una de baja concentracioacuten y ya que las partiacuteculas se mueven aleatoriamente las probabilidades de que las partiacuteculas se muevan de una zona de alta concentracioacuten a otra de baja concentracioacuten son maacutes altas que en la direccioacuten opuesta En el equilibrio el movimiento neto del soluto se detiene aunque el movimiento aleatorio molecular continuacutea y el movimiento de los solutos en cualquier direccioacuten es equilibrado por un movimiento igual en la direccioacuten opuesta (Figura 3-8 C) Un gradiente de concentracioacuten es una medida
de la diferencia en la concentracioacuten de un soluto en un solvente entere dos puntos Para una distancia dada entre dos puntos el gradiente de concentracioacuten es igual a la concentracioacuten maacutes alta menos la concentracioacuten maacutes baja del soluto El movimiento hacia abajo de o con un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una alta concentracioacuten hasta una baja concentracioacuten y el movimiento hacia arriba o en contra de un gradiente de concentracioacuten describe el movimiento de moleacuteculas de soluto desde una baja concentracioacuten hacia una alta concentracioacuten Cuando el gradiente de concentracioacuten es grande se dice que es pronunciado La difusioacuten es un medio de transporte importante para que las sustancias se muevan a traveacutes de los fluidos intracelulares y extracelulares del cuerpo Ademaacutes las sustancias que pueden pasar ya sea a traveacutes de las capas de liacutepidos de la membrana celular o a traveacutes de los canales de la membrana se difunden a traveacutes de la membrana celular Algunos nutrientes entran algunos productos de desecho salen de la ceacutelula por difusioacuten Las concentraciones intracelulares normales de muchas sustancias dependen de la difusioacuten por ejemplo si se reduce la concentracioacuten extracelular del oxiacutegeno eacuteste no se difunde de manera suficiente dentro de la ceacutelula y su funcioacuten normal puede no ocurrir
FIGURA 3-8 middot Difusioacuten A Una solucioacuten (roja representando un tipo de moleacutecula) es acomodada sobre una segunda solucioacuten (azul representando un segundo tipo de moleacutecula) Existe un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas rojas desde la solucioacuten roja hacia el interior de la solucioacuten azul debido a que no hay moleacuteculas rojas en la solucioacuten azul Existe tambieacuten un gradiente de concentracioacuten para las moleacuteculas azules desde la solucioacuten azul hacia el interior de la solucioacuten roja debido a que no hay moleacuteculas azules en la solucioacuten roja B Las moleacuteculas rojas se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten azul y las moleacuteculas azules se mueven con su gradiente de concentracioacuten hacia el interior de la solucioacuten roja C Las moleacuteculas rojas y azules se encuentran uniformemente distribuidas en toda la solucioacuten Aun cuando las moleacuteculas rojas y azules continuacutean movieacutendose al azar existe un equilibrio y ninguacuten movimiento neto ocurre ya que no existe un gradiente de concentracioacuten
PREDECIR
La urea es un producto toacutexico que se
produce al interior de las ceacutelulas Se difunde desde
las ceacutelulas al interior de la sangre y es eliminado del
cuerpo por los rintildeones iquestQueacute podriacutea pasarle a la
concentracioacuten intracelular y extracelular de la urea si
los rintildeones dejasen de funcionar
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