Piel humana

Piel humana 2 mm

Células de piel humana 2 × 10 - 1 mm

Los seres humanos tienen aproximadamente 1.6 billones de células de piel. Cada hora se caen entre 30,000 y 40,000 de estas células. Así, en el transcurso de un día, una persona pierde casi un millón de células de piel.

Células de piel humana 2 × 10 - 2 mm

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¿Qué es una célula?

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Todo se compone de átomos y moléculas, pero solo en los seres vivos los átomos y las moléculas se organizan en células. En este laboratorio, observarás muestras de seres vivos y materia inerte con un microscopio compuesto.

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180

CAPÍTULO 7

Estructura y función celular 1 Descubrimiento y teoría celular 1(A), 2(A), 2(B), 2(C), 2(F), 3(A), 3(F), 4(A), 7(G)

2 La membrana plasmática 4(B), 11(A)

3 Estructuras y organelos 3(A), 4(A), 4(B), 7(G)

4 Transporte celular 1(A), 2(G), 3(A), 4(B), 11(A)

TEMACENTRAL

Estructura y función La célula es un sistema complejo debido a la presencia de una variedad de macromoléculas, estructuras, funciones y procesos.

LAGRANIDEA Las células son las unidades estructurales y funcionales de todos los seres vivos.

Transporte celular

Transporte celular

Haz un boletín en capas y rotúlalo como se muestra. Úsalo para organizar tus notas sobre el transporte celular.

Difusión Ósmosis

Capítulo 7 • Estructura y función celular 181

¡ÚSALO!

Cuaderno de ciencias

1 Descubrimiento y teoría celular 4(A) Compare and contrast prokaryotic and eukaryotic cells. También cubre: 7(G); de proceso: 1(A), 2(A), 2(B), 2(C), 2(F), 3(A), 3(F)

Preguntas esenciales • ¿Cómo se relacionan los avances en tecnología microscópica con los

TI

Podría parecer que las partes de tu cuerpo no tienen nada en común. El corazón, por ejemplo, bombea sangre, mientras que la piel te protege y te refresca. ¿Qué tienen en común partes corporales como el corazón y la piel? ¿De qué forma las células permiten que estas partes funcionen juntas?

REPASO DE VOCABULARIO organización: estructura ordenada de todos los seres vivos

VOCABULARIO NUEVO célula teoría celular membrana plasmática organelo célula eucariota núcleo célula procariota

La invención del microscopio condujo al descubrimiento de las células.

Multilingual eGlossary

descubrimientos sobre las células?

• ¿Cuáles son las semejanzas y diferencias entre los microscopios ópticos compuestos • •

y los microscopios electrónicos? ¿Cuáles son los principios de la teoría celular? ¿Cuáles son las diferencias entre una célula procariota y una célula eucariota?

Historia de la teoría celular Durante siglos, los científicos ignoraron que el cuerpo humano estaba formado por billones de células. Las células son tan pequeñas que se desconocía su existencia antes de la invención del microscopio. En 1665, como se indica en la Figura 1, un científico inglés llamado Robert Hooke creó un microscopio simple y observó un trozo de corcho, es decir, las células muertas de la corteza de un roble. Hooke observó pequeñas estructuras en forma de celdas similares a las que se muestran en la Figura 2. Las llamó cellulae (palabra que en latín significa habitación pequeña), porque las células del corcho le recordaban a las celdas donde vivían los monjes del monasterio. Debido al trabajo de Hook, se usa el término célula. Una célula es la unidad estructural y funcional básica de todos los organismos vivos. A fines del siglo XVII, el científico holandés Anton van Leeuwenhoek diseñó su propio microscopio, inspirado en el libro que había escrito Hooke. Para su sorpresa, observó organismos vivos en agua estancada, leche y otras sustancias. El trabajo de estos y otros científicos condujo a la aparición de nuevas ramas de la ciencia y a una gran cantidad de nuevos e interesantes descubrimientos.

Figura 1 Importancia del microscopio La invención de los microscopios, las mejoras en los instrumentos y la creación de nuevas técnicas microscópicas permitieron el desarrollo de la teoría celular y una mayor comprensión de las células.

182

1665 Robert Hooke observa en el corcho pequeños compartimentos que llama células. Publica dibujos de células, pulgas y otros cuerpos diminutos en su libro Micrografía.

1830–1855 Los científicos descubren el núcleo celular (1833) y proponen que tanto las la plantas como los animales anim se componen de células célu (1839).

1590 Los pulidores de lentes Hans y Zacharias

1683 El biólogo holandés

Janssen, de nacionalidad holandesa, inventaron el primer microscopio compuesto colocando dos lentes en un tubo.

Anton van Leeuwenhoek descubre organismos unicelulares con características animales, actualmente llamados protozoarios.

Capítulo 7 • Estructura y función celular

Bridgeman Art Library

BIOLOGÍA PARA

IDEAPRINCIPAL

La teoría celular Los científicos siguieron observando el mundo microscópico vivo con lentes de vidrio. En 1838, el científico alemán Matthias Schleiden estudió cuidadosamente los tejidos de las plantas y concluyó que todas las plantas están compuestas por células. Un año después, Theodor Schwann, otro científico alemán, informó que los tejidos animales también están formados por células individuales. En 1855, el físico prusiano Rudolph Virchow propuso que todas las células se producen por la división de células existentes. Las observaciones y conclusiones de estos y otros científicos se resumen en la teoría celular. La teoría celular es una de las ideas fundamentales de la biología moderna e incluye estos tres principios: 1. Todos los organismos vivos se componen de una o más células. 2. Las células son la unidad básica de estructura y organización de todos los organismos vivos. 3. Las células únicamente se originan de células preexistentes, mediante la duplicación de material genético que se transmite a las células hija.

¿Entendiste?

Explica ¿Pueden las células aparecer espontáneamente sin material genético de células predecesoras?

Figura 2 Robert Hooke utilizó un microscopio óptico elemental para observar el aspecto de los compartimentos vacíos de una muestra de corcho. Infiere qué crees que habría visto Hooke si estas hubieran sido células vivas.

Lab

Launch Lab

Investigación Con base en lo que has

Tecnología del microscopio El descubrimiento de las células y el desarrollo de la teoría celular no habrían sido posibles sin los microscopios. El perfeccionamiento de los microscopios ha permitido a los científicos estudiar las células en detalle, tal como se describe en la Figura 1. Vuelve a la página inicial del capítulo y compara las ilustraciones de la piel que se muestran allí. Observa que el detalle aumenta a medida que se amplían el aumento y la resolución (la capacidad del microscopio de hacer visibles los componentes individuales). Hooke y van Leeuwenhoek no habrían sido capaces de ver las estructuras individuales de las células de piel humana con los microscopios que diseñaron. Gracias a los avances en la tecnología del microscopio, en la actualidad se pueden estudiar las células con mayor detalle de lo que alguna vez imaginaron los científicos de épocas pasadas.

(t)©Lester V. Bergman/Corbis;(bl)SPL/Photo Researchers;(br)LBNL/SPL/Photo Researchers

LM con aumento: 100×

1939 Ernest Everett Just escribe el libro de texto Biología de la superficie celular después de años de estudio sobre la estructura y función de las células.

leído sobre las células, ¿cómo responderías ahora las preguntas de análisis?

1981 El microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés) permite a los científicos observar átomos individuales.

1880–1890 Gracias al

1970 La microbióloga Lynn

2008 La microscopía dde

microscopio compuesto, Louis Pasteur y Robert Koch fueron los pioneros en el estudio de las bacterias.

Margulis propone la idea de que algunos organelos de las células eucariotas fueron alguna vez procariontes de vida libre.

iluminación tridimensional estructurada (3D-SIM) combina una imagen en 3-D con alta resolución y múltiples colores.

Sección 1 • Descubrimiento y teoría celular 183

Microscopios ópticos compuestos El microscopio óptico

 P RO F ESIO N E S  EN BIOLOGÍA Representante de tecnología Las compañías que fabrican equipos científicos contratan a representantes que demuestran y explican sus productos a la comunidad científica. Un representante de tecnología es un experto en nuevos productos tecnológicos, y brinda su experiencia a los científicos que podrían usar dichos artículos en el laboratorio.

compuesto moderno consta de una serie de lentes de vidrio y aprovecha la luz visible para generar una imagen ampliada. Cada lente de la serie amplía la imagen del lente anterior. Por ejemplo, cuando dos lentes amplían cada uno una imagen 10 veces, el aumento total es 100 veces (10 × 10). A menudo, los científicos tiñen las células para observarlas mejor bajo los microscopios ópticos, pues estas son muy pequeñas, delgadas y translúcidas. Con el tiempo se han desarrollado varias técnicas y se han modificado los microscopios ópticos, pero las propiedades de la luz visible siempre limitarán la resolución de los mismos. Los objetos dispersan la luz y generan imágenes borrosas. El máximo aumento posible sin alteración considerable de la imagen es de aproximadamente 1000×.

Microscopios electrónicos A medida que el estudio de las células avanzaba, se hizo necesario un mayor aumento para ver las partes más pequeñas. En la década de 1940, durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló el microscopio electrónico. En vez de lentes, este dirige un haz de electrones hacia capas celulares delgadas por medio de imanes. Este tipo de microscopio se llama microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) porque los electrones se pasan o transmiten desde un espécimen a una pantalla fluorescente. Las partes más gruesas del espécimen absorben una mayor cantidad de electrones que las partes delgadas, y generan una imagen sombreada en blanco y negro. Los microscopios electrónicos de transmisión pueden ampliar la imagen hasta 500,000×, pero el espécimen debe estar muerto, rebanado en trozos muy delgados y teñido con metales pesados. En los últimos 65 años se han modificado los microscopios electrónicos originales. Por ejemplo, el microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) es una modificación que dirige los electrones sobre la superficie del espécimen, generando una imagen tridimensional. Una desventaja tanto del TEM como del SEM es que solo se pueden observar células y tejidos muertos. En internet puedes encontrar microfotografías tomadas con el microscopio electrónico.

Minilaboratorio 1

Lab

1(A), 2(A), 2(F)

Descubre las células ¿Cómo puedes describir un nuevo descubrimiento? Imagina que eres un científico que observa a través de los lentes de un nuevo instrumento llamado microscopio y ves un grupo de objetos de forma similar. Reconoces que las formas que ves no son una simple coincidencia ni objetos al azar. Tu concepción de la naturaleza de la materia cambia a medida que observas estos objetos. Procedimiento 1. Lee y completa el formulario de seguridad en el laboratorio. 2. Prepara una tabla de datos para anotar tus observaciones y dibuja tres portaobjetos.

184

Capítulo 7 • Estructura y función celular

3. Observa las imágenes que tu maestro proyecta para la clase. 4. Describe y dibuja lo que has observado. Incluye suficientes detalles en los dibujos para que puedas transmitir la información a otros científicos que no hayan observado células. Análisis 1. Describe analogías o términos que podrían explicar las imágenes en tus dibujos. 2. Determina las limitaciones que tenía Hooke en el siglo XVII. 3. Explica cómo podrías demostrar a Hooke, con la tecnología del siglo XXI, que sus hallazgos eran válidos.

STM en falso color. Aumento: 2,000,000×

En otro tipo de microscopio, el microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés), la punta cargada de una sonda se ubica lo suficientemente cerca del espécimen para que los electrones “excaven un túnel” a través del pequeño espacio entre la punta y el espécimen. Este instrumento ha permitido a los científicos crear imágenes computarizadas tridimensionales de objetos tan pequeños como los átomos. A diferencia del TEM y el SEM, el STM se puede usar con especímenes vivos. En la Figura 3 se muestra el ADN, material genético de la célula, ampliado con un microscopio de efecto túnel. El microscopio de fuerza atómica (AFM) mide diferentes fuerzas entre la punta de la sonda y la superficie celular. El AFM crea una imagen visual de la célula con un sensor microscópico que la escanea.

(t)Driscoll, Youngquist & Baldeschwieler, California Institute of Technology/Photo Researchers; (bl)©Lester V. Bergman/Corbis; (br)Biophoto Associates/Photo Researchers

Tipos celulares básicos Aprendiste, con base en la teoría celular, que las células son las unidades básicas de todos los organismos vivos. Al observar tu propio cuerpo y todos los seres vivos que te rodean, podrías inferir que las células existen en formas y tamaños variados y que se diferencian con base en las funciones que desarrollan en un organismo. Sin embargo, todas las células comparten al menos una característica física: tienen una estructura llamada membrana plasmática. La membrana plasmática, señalada en la Figura 4, es una barrera especial que ayuda a controlar todo lo que entra y sale de la célula. Todas las células de tu piel tienen membrana plasmática, al igual que todas las células de una serpiente de cascabel. Esta estructura básica se describe en detalle en la próxima sección. Por lo general las células tienen algunas funciones en común. Por ejemplo, la gran mayoría de las células cuenta con alguna forma de material genético con las instrucciones para elaborar las sustancias que necesitan. Las células también descomponen moléculas para generar energía. Los científicos han agrupado las células en dos grandes categorías: eucariotas y procariotas. En la Figura 4 se muestran micrografías de ambos tipos de células tomadas con un TEM. Se han ampliado las imágenes para que puedas comparar las estructuras celulares. Las células eucariotas son generalmente entre una y cien veces más grandes que las células procariotas.

¿Entendiste?

Compara el tamaño de las células procariotas

y eucariotas.

ADN Figura 3 El microscopio de efecto túnel (STM) genera imágenes como las de esta molécula de ADN, en la cual las grietas y las depresiones se ven oscuras, mientras que las áreas elevadas o prominentes se ven más claras. Nombra una aplicación en la cual se podría usar el STM. Lab

Video Lab

Figura 4 La célula procariota de la izquierda es de menor tamaño y complejidad que la célula eucariota de la derecha. Se amplió la célula procariota con el fin de comparar las estructuras internas de cada célula.

TEM realzada con color. Aumento: 15,000× Realzada con color. Aumento: no disponible

Membrana plasmática

Célula procariota

Célula eucariota

Sección 1 • Descubrimiento y teoría celular 185

BrainPOP

VOCABULARIO ORIGEN DE LAS PALABRAS

eucariota procariota eu– prefijo proveniente del griego;

significa bien pro– prefijo proveniente del griego; significa antes -karyon proveniente del griego; significa núcleo

Observa de nuevo la Figura 4 y compara los tipos de células para entender por qué los científicos las clasifican dentro de dos grandes categorías con base en su estructura interna. Ambos tipos tienen membrana plasmática, pero una célula contiene un gran número de estructuras internas llamadas organelos, estructuras especializadas que realizan funciones celulares específicas. Las células eucariotas tienen núcleo y otros organelos con membrana. El núcleo es un organelo central bien definido que contiene el material genético de la célula en forma de ADN. Los organelos permiten que se realicen al mismo tiempo distintas funciones celulares en diversas partes de la célula. La mayoría de los organismos están formados por células eucariotas y se conocen como eucariontes. Sin embargo, algunos organismos unicelulares, como algunas algas y levaduras, también son eucariontes. Las células procariotas se definen como células sin núcleo ni organelos con membrana. Como puedes ver en la Figura 4, las células procariotas son más simples que las células eucariotas. La mayoría de los organismos unicelulares, como las bacterias, son células procariotas y por lo tanto se llaman procariontes. Muchos científicos creen que los procariontes son similares a los primeros organismos que vivieron en la Tierra.

Origen de la diversidad celular Los científicos siguen investigando por qué existen dos tipos básicos de células. La respuesta podría ser que las células eucariotas evolucionaron de las células procariotas hace millones de años. De acuerdo con la teoría endosimbiótica, las células procariotas vivían unas dentro de otras, y ambas obtenían beneficios, en lo que se conoce como una relación simbiótica. Imagina lo diferentes que serían los organismos si no hubiera evolucionado la forma eucariota. Debido a que las células eucariotas son más grandes y tienen distintos organelos, han desarrollado funciones específicas. Estas funciones han llevado a la diversidad celular y, por lo tanto, una gran variedad de organismos ha podido adaptarse mejor a su medioambiente. Es posible que formas de vida más complejas que las bacterias no hubieran evolucionado sin las células eucariotas.

¡REPÁSALO! Descubrimiento y teoría celular 2(C), 4(A)

Resumen de la sección

Comprende las ideas principales

• Los microscopios se han usado

1. IDEAPRINCIPAL Explica cómo el desarrollo y los avances en los microscopios cambiaron el estudio de los organismos vivos.

como herramienta para el estudio científico desde finales del siglo XVI.

•

Los científicos usan diferentes tipos de microscopios para estudiar las células.

• La teoría celular se resume en tres principios.

• Existen dos grupos de tipos celulares: células procariotas y células eucariotas.

Self Check

186

Capítulo 7 • Estructura y función celular

2. Compara y contrasta un microscopio óptico compuesto con un microscopio electrónico. 3. Resume la teoría celular. 4. Diferencia entre la membrana plasmática y los organelos.

Pensamiento crítico 5. Describe cómo determinarías si las células de un organismo descubierto recientemente son procariotas o eucariotas.

MATEMÁTICAS EN Biología

6. Si el aumento total de una serie de dos lentes es 30× y un lente aumenta 5×, ¿cuál es el aumento del otro lente? Calcula el aumento total si el lente de 5× se reemplaza por uno de 7×.

¡ÚSALO!

Cuaderno de ciencias

2 La membrana plasmática 4(B) Investigate and explain cellular processes, including homeostasis, energy conversions, transport of molecules, and synthesis of new molecules. También cubre: 11(A)

BIOLOGÍA PARA

TI

Cuando te acercas a la escuela, podrías pasar por una puerta ubicada en la cerca que rodea sus campos. La cerca evita que entren personas que no deberían estar allí, y la puerta permite el ingreso de los estudiantes, el personal y los padres. De manera similar, las células procariotas y eucariotas tienen estructuras que mantienen el control de su ambiente interno.

REPASO DE VOCABULARIO ion: átomo o grupo de átomos con carga eléctrica positiva o negativa

VOCABULARIO NUEVO permeabilidad selectiva bicapa fosfolipídica proteínas de transporte modelo de mosaico fluido

Multilingual eGlossary

Figura 5

IDEA PRINCIPAL La membrana plasmática ayuda a mantener la homeostasis de la célula.

Preguntas esenciales • ¿Cómo funciona la membrana plasmática de una célula? • ¿Qué función desempeñan las proteínas, los carbohidratos y el colesterol en la membrana plasmática?

Función de la membrana plasmática Recuerda que el proceso mediante el cual se mantiene el equilibrio del medio interno de un organismo se llama homeostasis, la cual es esencial para la supervivencia de la célula. Una de las estructuras que es principalmente responsable de la homeostasis es la membrana plasmática, un límite delgado y flexible entre la célula y su ambiente, que permite el ingreso de nutrientes y la salida de productos de desecho y otras sustancias. Todas las células procariotas y eucariotas tienen una membrana plasmática que las separa del medio acuoso en que se encuentran. Una propiedad clave de la membrana plasmática es la permeabilidad selectiva, que controla las sustancias que entran o salen de la célula. Considera la función de una red de pesca como una analogía de permeabilidad selectiva. La red que se muestra en la Figura 5 tiene orificios que permiten que el agua y otras sustancias la atraviesen, pero no los peces. Según el tamaño de los orificios de la red, algunas especies de peces podrían atravesarla, mientras que otras quedarían atrapadas. En el diagrama de la Figura 5 se ilustra la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática. Las flechas indican que las sustancias entran y salen de la célula a través de la misma. El control de cómo, cuándo y qué cantidad de estas sustancias entran y salen de la célula depende de la estructura de la membrana plasmática.

¿Entendiste?

Define el término permeabilidad selectiva.

Izquierda: La red de pesca captura selectivamente los peces y permite el paso de agua y otros desechos a través de la misma. Derecha: De igual forma, la membrana plasmática selecciona las sustancias que entran y salen de la célula.

Exterior de la célula Oxígeno

Jill Barton/AP Images

Membrana plasmática

Agua

Glucosa

Desechos

Desechos Dióxido de Interior de carbono la célula

Sección 2 • La membrana plasmática 187

Proteína de la membrana

Exterior de la célula

Cadena de carbohidratos

Bicapa fosfolipídica

Colesterol

Colas apolares

Interior de la célula

Proteína de transporte Figura 6 La bicapa fosfolipídica se asemeja a un sándwich, con las cabezas polares dispuestas hacia la parte externa y las colas apolares hacia el interior. Infiere cómo cruzan una membrana plasmática las sustancias hidrófobas.

Cabezas polares

Cabeza polar Cola apolar

Estructura de la membrana plasmática Conexión con Química La mayoría de las moléculas de la membrana plasmática son lípidos. Los lípidos son moléculas grandes compuestas por glicerol y tres ácidos grasos. Si un grupo fosfato reemplaza un ácido graso, se forma un fosfolípido. Un fosfolípido es una molécula que contiene una armazón de glicerol, dos cadenas de ácidos grasos y un grupo que contiene fosfato. La membrana plasmática está compuesta por una bicapa fosfolipídica en la cual dos capas de fosfolípidos se disponen en una relación de cola a cola, como se muestra en la Figura 6. En la membrana plasmática, los fosfolípidos se organizan de tal forma que permiten su subsistencia en medios acuosos.

La bicapa fosfolipídica Observa en la Figura 6 que cada fosfo-

VOCABULARIO USO CIENTÍFICO Y USO COMÚN polar

Uso científico: completamente opuesto El agua y los fosfolípidos son moléculas polares porque tienen extremos con carga positiva y con carga negativa. Uso común: relacionado con los polos Norte y Sur de la Tierra Los osos polares viven en la región cerca al Polo Norte.

188

lípido se representa con una cabeza y dos colas. El grupo fosfato de cada fosfolípido forma la cabeza polar, la cual es atraída por el agua que también es polar. Las dos colas de ácidos grasos son apolares y son repelidas por el agua. Las dos capas de moléculas fosfolipídicas forman un sándwich con las colas de ácido graso dispuestas hacia el centro de la membrana plasmática y las cabezas de fosfolípidos hacia los medios acuosos que se encuentran dentro y fuera de la célula, como se muestra en la Figura 6. Esta estructura de doble capa es vital para la formación y función de la membrana plasmática. Los fosfolípidos están organizados de tal forma que las cabezas polares quedan muy cerca de las moléculas de agua y las colas apolares, lejos de dichas moléculas. Cuando una gran cantidad de moléculas de fosfolípidos se disponen de esta manera, se crea una barrera que es polar en sus superficies y apolar en su interior. Las sustancias solubles en agua no se desplazarán fácilmente a través de la membrana plasmática, ya que serán retenidas en el interior apolar. Por lo tanto, la membrana plasmática separa el medio interno de la célula de su medio externo.

Capítulo 7 • Estructura y función celular

Otros componentes de la membrana plasmática

ESTRATEGIA DE ESTUDIO

Colesterol, proteínas y carbohidratos también se desplazan con y entre los fosfolípidos de la membrana plasmática. Cuando las proteínas se localizan en la superficie externa de la membrana, se llaman receptores y transmiten señales hacia el interior de la célula. Las proteínas de la superficie interna unen la membrana plasmática a la estructura interna de soporte de la célula, y le dan su forma. Otras proteínas se extienden por toda la membrana y forman túneles por los cuales ciertas sustancias entran y salen de la célula. Estas proteínas de transporte movilizan sustancias necesarias o materiales de desecho a través de la membrana plasmática, y contribuyen a la permeabilidad selectiva de la membrana.

SESIÓN DE PREGUNTAS Trabaja con un compañero y túrnense para hacerse preguntas sobre la membrana plasmática. Resuman las respuestas en voz alta. Hagan todas las preguntas que puedan en cada turno.

¿Entendiste?

Describe el beneficio de la estructura de doble capa de la membrana plasmática.

Ubica las moléculas de colesterol en la Figura 6. El colesterol apolar es repelido por el agua y se posiciona entre los fosfolípidos. El colesterol evita que se adhieran las colas de ácido graso de la bicapa fosfolipídica, lo que contribuye a la fluidez de la membrana plasmática. Aunque es recomendable evitar una dieta con alto contenido de colesterol, este desempeña un papel crítico en la estructura de la membrana plasmática y es una sustancia clave para mantener la homeostasis celular. Otras sustancias de la membrana, como los carbohidratos que están unidos a las proteínas, sobresalen de la membrana plasmática para definir las características celulares y ayudar a las células a identificar señales químicas. Por ejemplo, los carbohidratos de la membrana permiten que las células de defensa del organismo reconozcan y ataquen a una célula potencialmente peligrosa.

Laboratorio de análisis de datos 1

4(B)

Basado en datos reales*

Interpreta el diagrama ¿Cómo intervienen los canales de proteínas en la muerte de las células nerviosas después de una apoplejía? Una apoplejía sucede cuando un coágulo sanguíneo bloquea el flujo de sangre oxigenada a una porción del encéfalo. Las células nerviosas del encéfalo que liberan glutamato son sensibles a la falta de oxígeno y liberan una gran cantidad de glutamato cuando los niveles de oxígeno son bajos. La bomba de calcio se destruye durante el flujo de glutamato. Esto afecta el movimiento de iones de calcio dentro y fuera de las células nerviosas. Cuando las células contienen exceso de calcio, se interrumpe la homeostasis.

Datos y observaciones

Calcio

Extremo nervioso liberador de glutamato

Glutamato

Ca2+

Pensamiento crítico

1. Interpreta ¿De qué manera el flujo de glutamato destruye la bomba de calcio? 2. Predice lo que sucedería si los niveles de Ca2+ bajaran en la célula nerviosa durante una apoplejía.

Bomba de calcio

Ca2+

Canales Enzima de calcio Enzima activada Célula por la disminución del nerviosa oxígeno y exceso de calcio

La enzima destruye la bomba de calcio El Ca2+ se almacena en la célula

* Datos tomados de: Choi, D.W. 2005. Neurodegeneration: cellular defences destroyed. Nature 433: 696-698.

Sección 2 • La membrana plasmática 189

Grupos de colas apolares

Molécula de colesterol Grupos de cabezas polares Figura 7 El modelo de mosaico fluido se refiere al hecho de que algunas sustancias se pueden movilizar libremente a través de la membrana plasmática. Watch Animation

Al estar juntos, los fosfolípidos en la bicapa forman un “mar” en el que pueden flotar otras moléculas, similar a lo que ocurre cuando unas manzanas flotan en un barril de agua. Este concepto de “mar” constituye la base del modelo de mosaico fluido de la membrana plasmática. Los fosfolípidos se pueden movilizar a través de la membrana plasmática al igual que las manzanas lo hacen en el agua. Al mismo tiempo, otros componentes de la membrana, como las proteínas, también se mueven entre los fosfolípidos. Debido a la existencia de diferentes sustancias en la membrana plasmática, se crea en la superficie un patrón o mosaico, el cual puedes observar en la Figura 7. Los componentes de la membrana plasmática están en constante movimiento, deslizándose y alejándose unos de otros.

¡REPÁSALO! La membrana plasmática 4(B), 11(A)

Resumen de la sección

Comprende las ideas principales

• La permeabilidad selectiva es

1. IDEAPRINCIPAL Describe cómo ayuda la membrana plasmática a mantener la homeostasis de la célula.

una propiedad de la membrana plasmática que le permite controlar lo que entra y sale de la célula.

• La membrana plasmática está compuesta por dos capas de moléculas fosfolipídicas.

• El colesterol y las proteínas de transporte ayudan en la función de la membrana plasmática.

• El modelo de mosaico fluido describe la membrana plasmática.

2. Explica cómo se mantiene el interior de la célula separado de su medio. 3. Diagrama la membrana plasmática y rotula cada uno de sus componentes. 4. Identifica las moléculas que forman la estructura básica de la membrana plasmática, su identidad celular y fluidez.

Pensamiento crítico 5. Explica qué efecto tendría una mayor concentración de colesterol en la membrana plasmática.

ESCRITURA EN Biología Self Check

190

Capítulo 7 • Estructura y función celular

6. A partir de lo que sabes sobre el término mosaico, escribe un párrafo en el que describas otro mosaico biológico.

¡ÚSALO!

Cuaderno de ciencias

3 Estructuras y organelos 7(G) Analyze and evaluate scientific explanations concerning the complexity of the cell. También cubre: 4(A), 4(B); de proceso: 3(A)

BIOLOGÍA PARA

TI

Piensa en una compañía que fabrica botas de excursionismo. Allí cada par de botas podría ser hecho por una persona, pero resulta más eficiente usar una cadena de montaje. De igual forma, las células eucariotas tienen estructuras especializadas que realizan tareas específicas, al igual que en una fábrica.

REPASO DE VOCABULARIO enzima: proteína que acelera una reacción química

VOCABULARIO NUEVO citoplasma citoesqueleto ribosoma nucléolo retículo endoplásmico aparato de Golgi vacuola lisosoma centríolo

mitocondria cloroplasto pared celular cilio flagelo

Multilingual eGlossary

Figura 8 Los microtúbulos y microfilamentos forman el citoesqueleto.

IDEA PRINCIPAL Las células eucariotas contienen organelos que permiten la especialización y la división de funciones dentro de la célula.

Preguntas esenciales • ¿Cuáles son las estructuras de una célula eucariota típica y cuáles son sus funciones? • ¿Cuáles son las semejanzas y diferencias entre las células vegetales y las células animales?

Citoplasma y citoesqueleto Acabas de estudiar la parte de la célula que funciona como límite entre sus medios interno y externo. El medio que se encuentra dentro de la membrana plasmática está formado por un material semifluido denominado citoplasma. En una célula procariota todos los procesos químicos, como la descomposición de azúcar para la obtención de la energía necesaria en otras funciones, ocurren directamente en el citoplasma. Las células eucariotas llevan a cabo estos procesos en el interior de los organelos ubicados en el citoplasma. En su momento, los científicos creían que los organelos celulares flotaban como en un mar dentro del citoplasma. Más recientemente, los biólogos celulares descubrieron que los organelos no flotan libremente en el interior de la célula, sino que los sostiene una estructura del citoplasma, similar a la que se muestra en la Figura 8. El citoesqueleto es un sistema de redes formado por largas y delgadas fibras proteínicas que constituyen el esqueleto de la célula y proveen anclaje a los organelos. El citoesqueleto también interviene en el movimiento y otras actividades celulares. El citoesqueleto está formado por subestructuras llamadas microtúbulos y microfilamentos. Los microtúbulos son proteínas cilíndricas huecas y alargadas que forman el esqueleto rígido de la célula y ayudan a mover las sustancias dentro de esta. Los microfilamentos son hilos delgados de proteína que dan forma a la célula y permiten el movimiento de toda o ciertas partes de la célula. Los microtúbulos y los microfilamentos se unen y se separan rápidamente y se deslizan entre ellos. Esto facilita el movimiento tanto de las células como de los organelos. Membrana plasmática

Microtúbulo

Microfilamento Citoesqueleto

Sección 3 • Estructuras y organelos 191

VISUALIZACIÓN VISUALIZACIÓN Ó VISUALIZACIÓN Ó de las células Figura 9

Compara las ilustraciones de una célula vegetal, una célula animal y una célula procariota. Algunos organelos solo existen en células vegetales, mientras que otros solo existen en células animales. Las células procariotas no tienen organelos con membrana.

Núcleo

Microtúbulo

A

Célula animal

Nucléolo

Poro nuclear

Citoplasma Mitocondria Vacuola

Vesícula

Centríolo B

Retículo endoplásmico rugoso

Célula vegetal

Poro nuclear Núcleo Nucléolo

Lisosoma

Aparato de Golgi Retículo Ribosomas endoplásmico Membrana plasmática liso

Vacuola Pared celular (celulosa) Mitocondria Cloroplasto

Microtúbulo Retículo endoplásmico rugoso

C

Célula procariota (no está a escala)

Retículo endoplásmico liso Ribosomas Citoplasma

Membrana plasmática Pared celular (peptidoglicano) Cápsula

Citoplasma ADN

Flagelos

192 Capítulo 7 • Estructura y función celular

Aparato de Golgi

Estructuras celulares

VOCABULARIO

En una fábrica existen áreas separadas donde se realizan diferentes tareas. En las células eucariotas ocurre lo mismo. Los organelos con membrana hacen posibles los diversos procesos químicos que tienen lugar al mismo tiempo y en distintas partes del citoplasma. Los organelos llevan a cabo procesos celulares esenciales, como la síntesis de proteínas, la transformación de energía, la digestión de alimentos, la excreción de desechos y la división celular. Cada organelo tiene una estructura y función únicas. Puedes compararlos con las oficinas de una fábrica, las cadenas de montaje y otras áreas importantes que la mantienen en funcionamiento. A medida que estudias los diferentes organelos, consulta el diagrama de células animales y vegetales en la Figura 9.

ORIGEN DE LAS PALABRAS citoplasma citoesqueleto

cito– prefijo griego que significa célula

El núcleo Así como una fábrica necesita un gerente, la célula necesita un organelo que dirija todo los procesos celulares. El núcleo, que se muestra en la Figura 10, constituye dicha estructura; contiene la mayor parte del ADN, el cual almacena la información que se usa en la síntesis de proteínas requeridas para el crecimiento, el funcionamiento y la reproducción de la célula. El núcleo está rodeado por una membrana doble llamada envoltura nuclear. Esta se asemeja a la membrana plasmática, excepto porque tiene poros nucleares que permiten el paso de grandes sustancias hacia dentro y fuera del núcleo. La cromatina, una compleja molécula de ADN unida a cierto tipo de proteínas, está dispersa por todo el núcleo.

¿Entendiste?

BrainPOP

Describe la función del núcleo.

Ribosomas La elaboración de proteínas es una de las principales funciones celulares. Los organelos que intervienen en esta función se llaman ribosomas; están formados por ARN y proteínas, y no tienen membrana, como otros organelos. El sitio donde se producen los ribosomas se encuentra en el interior del núcleo y se conoce como nucléolo (Figura 10). Las células contienen muchos ribosomas que producen una gran variedad de proteínas, que puede usar la célula o que se pueden depositar fuera de esta para que las usen otras células. Algunos ribosomas flotan libremente en el citoplasma, mientras que otros están adheridos a otro organelo llamado retículo endoplásmico. Los ribosomas libres producen proteínas que se usan en el interior del citoplasma celular. Los ribosomas adheridos producen proteínas que se unen a membranas internas o que les sirven a otras células.

Figura 10 El núcleo de una célula es una estructura tridimensional. La micrografía muestra un corte transversal de este organelo. Infiere por qué los cortes transversales de un núcleo no son iguales.

Poro nuclear TEM realzada con color. Aumento: 560×

Nucléolo

Dr. Dennis Kunkel/Phototake NYC

Envoltura nuclear

Cromatina

Núcleo

Sección 3 • Estructuras y organelos 193

Retículo endoplásmico rugoso

TEM realzada con color. Aumento: 19,030×

Ribosoma

Retículo endoplásmico liso

Figura 11 Los ribosomas son estructuras simples formadas por ARN y proteínas, que pueden estar adheridos a la superficie del retículo endoplásmico rugoso. Se ven como protuberancias que emergen del retículo.

Lab

Virtual Lab

Retículo endoplásmico El retículo endoplásmico, también llamado RE, es un sistema de membranas compuesto por bolsas plegadas y canales interconectados, donde se realiza la síntesis de lípidos y proteínas. Los pliegues y dobleces del RE constituyen un área de superficie amplia sobre la cual se llevan a cabo las funciones celulares. El área del RE donde están adheridos los ribosomas se llama retículo endoplásmico rugoso. Observa en la Figura 11 las protuberancias que parecen salir del RE rugoso. Estos son los ribosomas adheridos que producen las proteínas de exportación a otras células. Como puedes ver en la Figura 11, también existen áreas del RE que no tienen ribosomas adheridos. Este organelo, llamado retículo endoplásmico liso, no tiene ribosomas pero realiza funciones importantes para la célula. Por ejemplo, el RE liso proporciona una superficie en la que se sintetizan una variedad de carbohidratos y lípidos complejos, incluidos los fosfolípidos. El RE liso del hígado metaboliza sustancias nocivas.

Laboratorio de análisis de datos 2

3(A), 4(B)

Basado en datos reales*

Interpreta los datos Datos y observaciones

Aparato de Golgi

Complejo receptor

Proteínas de la membrana

Vesícula

Pensamiento crítico

1. Interpreta el diagrama Nombra dos complejos del aparato de Golgi que podrían participar en la fusión vesicular. 2. Formula una hipótesis para explicar el transporte vesicular, con base en lo que has leído sobre el citoplasma y el citoesqueleto. 194 Capítulo 7 • Estructura y función celular

Retículo endoplásmico

?

Complejo receptor desconocido

*Datos tomados de: Brittle, E.E., and Waters, M.G. 2000. ER-to-golgi traffic––this bud´s for you. Science 289: 403–404.

Dr. Dennis Kunkel/Phototake NYC

¿Cómo se regula el tráfico vesicular del RE al aparato de Golgi? Algunas proteínas son sintetizadas por los ribosomas del retículo endoplásmico (RE). Luego, las proteínas son procesadas en el RE y las vesículas que contienen estas proteínas se desprenden y migran hacia el aparato de Golgi. Actualmente, los científicos estudian las moléculas responsables de guiar estas vesículas en su trayecto.

Vesícula abandonando el aparato de Golgi

TEM realzada con color. Aumento: 96,000×

Aparato de Golgi

Aparato A t de d Golgi G l i ¿Recuerdas d lla fábrica b de botas de excursionismo? Después de fabricarlas, se organizan en pares, se ponen en cajas y luego se despachan. De igual forma, después de que las proteínas se elaboran en el retículo endoplásmico, algunas se transfieren al aparato de Golgi, como se muestra en la Figura 12. El aparato de Golgi es una pila de membranas aplanadas que modifica, organiza y empaqueta las proteínas en sacos llamados vesículas. Luego, las vesículas se pueden fusionar con la membrana plasmática y liberar proteínas hacia el medio externo de la célula. Observa la vesícula en la Figura 12.

Figura 12 Una serie de pilas de membranas aplanadas forman el aparato de Golgi.

Vacuolas Una fábrica necesita un lugar para guardar materiales y productos de desecho. De igual forma, las células tienen vesículas rodeadas por una membrana, llamadas vacuolas, que almacenan sustancias en el citoplasma temporalmente. Una vacuola, como la vacuola vegetal de la Figura 13, es un saco donde se almacenan nutrientes, enzimas y otras sustancias necesarias para la célula. Algunas vacuolas almacenan productos de desecho. Es interesante notar que por lo general en las células animales no hay vacuolas y, en caso de que existan, son mucho más pequeñas que las de las células vegetales.

Biophoto Associates/Science Source/Photo Researchers, Inc.

Vacuola

Figura 13 Las células vegetales tienen compartimentos de almacenamiento rodeados por membrana, llamados vacuolas.

TEM realzada con color. Aumento: 11,000×

Sección 3 • Estructuras y organelos 195

LM realzada con color. Aumento: 11,000×

Figura gura 14 Los lisosomas contienen enzimas digestivas que descomponen los desechos almacenados en las vacuolas.

Lisosoma

Lisosomas Tanto las fábricas como las células necesitan cuadrillas de limpieza. En la célula, los lisosomas, ilustrados en la Figura 14, son vesículas que contienen sustancias capaces de digerir organelos sobrantes y desgastados y partículas de alimento. También digieren virus y bacterias que hayan entrado a la célula. La membrana que rodea a los lisosomas evita que las enzimas digestivas destruyan la célula. Los lisosomas se pueden fusionar con las vacuolas; también pueden vaciar sus enzimas en las vacuolas para digerir desechos internos. Centríolos En esta misma sección leíste sobre los microtúbulos y el citoesqueleto. Grupos de microtúbulos forman otra estructura llamada centríolo. Los centríolos, ilustrados en la Figura 15, son organelos que intervienen en la división celular; se localizan en el citoplasma de las células animales y de la mayoría de los protistas, generalmente cerca del núcleo. Figura 15 Los centríolos están formados por microtúbulos y desempeñan un papel esencial en la división celular.

TEM realzada con color. Aumento: 40,000×

Gopal Murti/Phototake NYC

Centríolos

196 Capítulo 7 • Estructura y función celular

TEM realzada con color. Aumento: 8000×

Mitocondria

Membrana interna

Membrana externa

Mitocondrias Mitocond driias Imagina ahora que la fáb fábrica de botas tiene su propio generador que suministra la energía necesaria. Las células tienen sus propios generadores de energía, llamados mitocondrias. Estas estructuras convierten las partículas de combustible (principalmente azúcares) en energía utilizable. En la Figura 16 se muestra que una mitocondria tiene una membrana externa y una membrana interna con un gran número de pliegues que le proporcionan una extensa área de superficie para romper los enlaces de las moléculas de azúcar. La energía obtenida se almacena en los enlaces de otras moléculas y luego queda disponible para la célula. Por este motivo, las mitocondrias se consideran las “centrales energéticas” de las células.

Figura 16 Las mitocondrias hacen que la energía esté disponible para la célula. Describe la estructura de la membrana de una mitocondria.

(t)Thomas Deerinck, NCMIR / Science Source/Photo Researchers Inc.; (b)Biophoto Associates/Science Source/Photo Researchers, Inc.

Cloroplastos Las máquinas de la fábrica necesitan la electricidad que se genera por la quema de combustibles fósiles o por fuentes alternativas, como el sol. Las células vegetales tienen su propia forma de usar la energía solar. Además de las mitocondrias, tanto las células vegetales como algunas otras células eucariotas contienen cloroplastos, organelos que absorben la energía lumínica y la transforman en energía química mediante el proceso de fotosíntesis. Como puedes ver en la Figura 17, dentro de la membrana interna hay muchos compartimentos pequeños en forma de disco. En esta área, conocida como tilacoides, la energía solar es captada por un pigmento llamado clorofila. Este les da el color verde a los tallos y las hojas de las plantas. Los cloroplastos pertenecen a un grupo de organelos vegetales llamados plastidios, algunos de los cuales se usan para almacenaje. Algunos plastidios guardan almidones o lípidos; otros, como los cromoplastos, contienen pigmentos rojos, anaranjados o amarillos que absorben energía lumínica y dan color a ciertas estructuras de las plantas, como flores y hojas.

Tilacoides

Figura 17 En las plantas, los cloroplastos absorben y convierten la energía lumínica en energía química.

Cloroplasto TEM realzada con color. Aumento: 30,000×

Sección 3 • Estructuras y organelos 197

TEM realzada con color. Aumento: 38,000×

Célula vegetal 2

Paredes celulares

Figura 18 En esta ilustración se muestran las células vegetales y sus paredes celulares. Compáralas con la micrografía electrónica de transmisión que muestra las paredes de células vegetales adyacentes.

Figura 19 En la micrografía, las estructuras parecidas a cabellos son cilios y las filamentosas son flagelos. Ambas estructuras intervienen en el movimiento celular. Infiere en qué parte del cuerpo de un animal crees que se podrían encontrar cilios.

Pared celular Otra estructura asociada a las células vegetales es la

pared celular, que se muestra en la Figura 18. La pared celular es una malla de fibras rígida y gruesa que rodea la parte externa de la membrana plasmática, y que brinda soporte y protección a la célula. La rigidez de la pared celular permite que las plantas se sostengan en posición vertical, desde una pequeña brizna de pasto hasta las secuoyas de California. La pared celular está compuesta por carbohidratos llamados celulosa, que le dan su firmeza. En la Tabla 1 se resumen las funciones de la pared celular y otras estructuras celulares.

Cilios y flagelos La superficie de algunas células eucariotas tiene estructuras llamadas cilios y flagelos que se proyectan fuera de la membrana plasmática. Como se muestra en la Figura 19, los cilios son proyecciones cortas y numerosas, similares a cabellos. El movimiento de los cilios es similar al de los remos de un bote. Los flagelos son más largos y menos numerosos que los cilios, y se mueven como un látigo. Los cilios y flagelos se componen de microtúbulos dispuestos en una configuración de 9 + 2, en la que nueve pares de microtúbulos rodean a dos microtúbulos individuales. Por lo general, una célula tiene uno o dos flagelos. Los flagelos y los cilios de células procariotas contienen citoplasma y están rodeados de membrana plasmática. Están formados por proteínas complejas. Aunque ambas estructuras sirven para el movimiento de las células, algunas células que no se mueven tienen cilios.

SEM realzada con color. Aumento: 12000×

Cilios en la superficie de un paramecio

198 Capítulo 7 • Estructura y función celular

TEM realzada con color. Aumento: no disponible

Bacterias con flagelos

(t)Marilyn Schaller/Photo Researchers; (bl)David M. Phillips/Science Source/Photo Researchers, Inc. ; (br)Dr. Linda Stannard-Uct/Photo Researchers

Célula vegetal 1

Tabla 1

Resumen de las estructuras celulares

Estructura celular

Ejemplo

Interactive Table

Función

Tipo de célula

Pared celular

Barrera rígida que brinda soporte y protección a las células vegetales

Células vegetales, células de hongos y algunos procariontes

Centríolos

Organelos que se disponen en pares y que son importantes para la división celular

Células animales y la mayoría de las células de protistas

Cloroplasto

Organelo de doble membrana con tilacoides que contienen clorofila, dentro de la cual ocurre la fotosíntesis

Células vegetales y algunas células de protistas

Cilios

Proyecciones de la superficie celular que intervienen en la locomoción y alimentación; también se usan para barrer sustancias de la superficie

Algunas células animales, células de protistas y procariontes

Citoesqueleto

Esqueleto de la célula dentro del citoplasma

Todas las células eucariotas

Retículo endoplásmico

Membrana con un gran número de pliegues donde ocurre la síntesis de proteínas

Todas las células eucariotas

Flagelos

Proyecciones que intervienen en la locomoción y alimentación

Algunas células animales, procariontes y algunas células vegetales

Aparato de Golgi

Pila de membranas aplanadas y tubulares que modifica y empaqueta proteínas para distribuirlas fuera de la célula

Todas las células eucariotas

Lisosoma

Vesícula que contiene enzimas digestivas para descomponer excesos o restos de sustancias celulares

Células animales y rara vez en células vegetales

Mitocondria

Organelo con membrana que hace que la energía esté disponible para el resto de la célula

Todas las células eucariotas

Núcleo

Centro de control de la célula que contiene los códigos que dirigen la síntesis de proteínas y la división celular

Todas las células eucariotas

Membrana plasmática

Estructura limítrofe flexible que controla el paso de sustancias hacia dentro y fuera de la célula

Todas las células

Ribosoma

Organelo donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas

Todas las células

Vacuola

Vesícula con membrana que almacena sustancias temporalmente

Una de gran tamaño en células vegetales; rara vez algunas pequeñas en células animales

Figura XX.X text text text

Sección 3 • Estructuras y organelos 199

Comparación entre células PR O F ESIO NE S  EN BIOLOGÍA Especialista en comunicación científica Muchas editoriales de divulgación científica contratan especialistas en comunicación para informar al público en general sobre las investigaciones y su importancia. Esto se logra mediante boletines de prensa, anuncios publicitarios, folletos y correos dirigidos.

En la Tabla 1 se resume la estructura de las células eucariotas vegetales y animales. Observa que las células vegetales contienen clorofila; por lo tanto, pueden captar y transformar la energía solar en energía química útil. Esta es una de las principales características que diferencia a las plantas de los animales. Además, recuerda que por lo general las células animales no contienen vacuolas y, si las tienen, son mucho más pequeñas que las de las células vegetales. De igual forma, las células animales no tienen pared celular. La pared celular provee protección y soporte a las células vegetales.

Organelos en acción Al tener un conocimiento básico de las estructuras celulares, se hace más fácil visualizar cómo estas actúan en conjunto para realizar las funciones celulares. Considera, por ejemplo, la síntesis de proteínas. La síntesis de proteínas comienza en el núcleo con la información del ADN. Esta información se copia y transfiere a otra molécula genética llamada ARN. Luego el ARN y los ribosomas, que se producen en el nucléolo, salen del núcleo a través de los poros de la membrana nuclear. Juntos, los ribosomas y el ARN sintetizan proteínas en el RE rugoso; las proteínas tienen funciones particulares: forman parte de la membrana plasmática, son liberadas de la célula o son transportadas a otros organelos. Otros ribosomas flotan libremente en el citoplasma y también producen proteínas. La mayoría de las proteínas producidas en la superficie del RE se envían al aparato de Golgi. Este aparato empaqueta las proteínas en vesículas y las transporta a otros organelos o fuera de la célula. Otros organelos se valen de las proteínas para realizar procesos celulares. Por ejemplo, los lisosomas utilizan proteínas, enzimas en particular, para digerir alimento y desechos. Las mitocondrias aprovechan las enzimas para producir energía útil para la célula. Después de leer sobre los organelos de una célula, es claro por qué algunos la relacionan con una fábrica. Cada organelo debe realizar una función y la salud de la célula depende del trabajo conjunto de todos sus componentes.

¡REPÁSALO! Estructuras y organelos 7(G)

Resumen de la sección

Comprende las ideas principales

• Las células eucariotas tienen

1. IDEAPRINCIPAL Identifica la función del núcleo en una célula eucariota.

organelos con membrana ubicados en el citoplasma, que realizan las funciones celulares.

• En los ribosomas se realiza la síntesis de proteínas.

• Las mitocondrias son los centros energéticos de las células.

• Las células animales y vegetales tienen organelos en común, pero algunos se encuentran específicamente en las células animales o en las células vegetales.

2. Resume la función del retículo endoplásmico. 3. Elabora un diagrama de flujo para comparar las partes de una célula con una cadena de montaje de automóviles. 4. Compara y contrasta las estructuras de células vegetales y células animales.

Pensamiento crítico 5. Formula una hipótesis sobre cómo intervendrían los lisosomas en la transformación de una oruga en mariposa.

ESCRITURA EN Biología 6. Clasifica las estructuras y los organelos de la Tabla 1 con base en el tipo de célula y luego dibuja un mapa conceptual para ilustrar tu organización.

Self Check

200 Capítulo 7 • Estructura y función celular

¡ÚSALO!

Cuaderno de ciencias

4 Transporte celular 4(B) Investigate and explain cellular processes, including homeostasis, energy conversions, transport of molecules, and synthesis of new molecules. También cubre: 11(A); de proceso: 1(A), 2(G), 3(A)

BIOLOGÍA PARA

TI

Imagina que estás estudiando en tu habitación mientras unas galletas se están horneando en la cocina. A medida que se hornean las galletas, el aroma viaja de la cocina a tu habitación mediante un proceso llamado difusión.

REPASO DE VOCABULARIO homeostasis: regulación del medio interno de una célula o un organismo a fin de mantener condiciones aptas para la vida

VOCABULARIO NUEVO difusión equilibrio dinámico difusión facilitada ósmosis solución isotónica solución hipotónica solución hipertónica transporte activo endocitosis exocitosis

Multilingual eGlossary

IDEA PRINCIPAL Mediante el transporte celular se mueven sustancias en el interior de la célula hacia dentro y fuera de esta.

Preguntas esenciales • ¿Qué son los procesos de difusión, difusión facilitada y transporte activo? • ¿Qué efecto tienen las soluciones hipotónica, hipertónica e isotónica en la célula? • ¿Cómo entran y salen las partículas grandes de la célula?

Difusión Conexión con Química Mientras que el aroma de las galletas horneadas se dirige hacia ti, las partículas se están moviendo y chocando unas con otras en el aire. Esto sucede porque las partículas de gases, líquidos y sólidos están en movimiento aleatorio. De igual forma, las sustancias disueltas en agua se mueven constantemente en un movimiento aleatorio, denominado movimiento browniano. Este movimiento aleatorio produce la difusión, movimiento neto de partículas desde un área donde hay muchas partículas de la sustancia a otra donde hay pocas partículas. La cantidad de una sustancia en un área en particular se llama concentración. Por lo tanto, las sustancias difunden desde áreas de alta concentración hacia áreas de baja concentración. La Figura 20 ilustra el proceso de difusión. No se requiere consumo adicional de energía para la difusión porque las partículas ya están en movimiento. Por ejemplo, si dejas caer tinta roja y azul en los extremos opuestos de un recipiente de agua, el cual es similar al medio acuoso de una célula, comienza el proceso de difusión, como se muestra en la Figura 20(A). En un corto periodo de tiempo, las partículas de tinta se habrán mezclado como resultado de la difusión, hasta el punto donde es visible un área homogénea de color púrpura. En la Figura 20(B) se muestra el resultado inicial de esta difusión.

Figura 20 La difusión hace que la tinta se mueva de areas de alta concentración a áreas de baja concentración hasta que los colores se combinan uniformemente en el agua.

Lapso de cinco minutos A

B

Lapso de diez minutos C

Sección 4 • Transporte celular 201

A medida que pasa el tiempo, las partículas de tinta siguen combinándose hasta formar, en este caso, la mezcla púrpura uniforme que se muestra en la Figura 20(C). La mezcla continúa hasta que la concentración de tinta roja y azul es igual en todas las áreas. El resultado final es la solución púrpura. Luego, las partículas se siguen moviendo de forma aleatoria, pero no ocurrirá ningún otro cambio de concentración. Esta condición, en la que hay un movimiento continuo sin cambio global, se denomina equilibrio dinámico. Una de las características clave de la difusión es la velocidad a la cual ocurre. Tres factores principales afectan la velocidad de difusión: concentración, temperatura y presión. Cuando la concentración es alta, la difusión ocurre más rápidamente porque hay más partículas que chocan. De igual forma, cuando aumenta la temperatura o la presión, aumenta el número de colisiones, lo que incrementa la velocidad de difusión. Recuerda que a altas temperaturas las partículas se mueven más rápido y que cuando la presión es elevada, están más juntas. En ambos casos, se presentan más colisiones y se acelera la difusión. El tamaño y la carga de una sustancia también influyen en la velocidad de difusión.

VOCABULARIO VOCABULARIO ACADÉMICO concentración

cantidad de un componente en un área o volumen dados La concentración de sal en el acuario era muy alta, lo que causó la muerte de los peces.

Incluye la información de esta sección en tu modelo de papel.

Figura 21 Aunque el agua se mueve libremente a través de la membrana plasmática, otras sustancias no pueden atravesar la bicapa fosfolipídica por sí mismas. Tales sustancias entran Watch a la célula por transporte facilitado.

Difusión por la membrana plasmática Además de agua, las células necesitan ciertos iones y moléculas pequeñas, como iones cloruro y azúcares, para realizar funciones celulares. El agua se difunde por la membrana plasmática, como se muestra en la Figura 21(A), pero muchas otras sustancias no pueden hacerlo. En otra forma de transporte, llamada difusión facilitada, se usan proteínas de transporte para movilizar otros iones y moléculas pequeñas a través de la membrana plasmática. Por este método, las sustancias se desplazan hacia el interior de la célula mediante una proteína de transporte llena de agua, llamada proteína de canal, que abre y cierra la membrana plasmática para permitir que la sustancia se difunda a través de la misma, como se muestra en la Figura 21(B). Otro tipo de proteína de transporte, llamada proteína portadora, también puede ayudar a que las sustancias se difundan a través de la membrana plasmática. Las proteínas portadoras cambian de forma mientras continúa el proceso de difusión para favorecer el movimiento de partículas a través de la membrana, como se ilustra en la Figura 21(C). La difusión de agua y la difusión facilitada de otras sustancias no requieren consumo adicional de energía porque las partículas se mueven desde un área de alta concentración a un área de menor concentración. Esto también se conoce como transporte pasivo. Aprenderás luego en esta sección sobre una forma de transporte celular que requiere consumo de energía.

¿Entendiste?

Animation A

B

Proteína de canal

Describe cómo entran a las células los iones sodio (Na+).

C

Proteínas portadoras

Exterior de la célula Membrana plasmática

Gradiente de concentración Paso 1

Interior de la célula Difusión de agua

202

Difusión facilitada por las proteínas de canal

Capítulo 7 • Estructura y función celular

Difusión facilitada por proteínas portadoras

Paso 2

Ósmosis: Difusión de agua El agua es una sustancia que entra y sale libremente de la célula a través de la membrana plasmática. La difusión del agua por una membrana selectivamente permeable se llama ósmosis. La regulación del paso de agua a través de la membrana plasmática es un factor importante para mantener la homeostasis celular.

Mecanismo de la ósmosis Recuerda que en una solución, una sustancia llamada soluto se disuelve en un solvente. El agua es el solvente en la célula y su medio. La concentración es una medición de la cantidad de soluto disuelto en un solvente. La concentración de una solución disminuye cuando aumenta la cantidad de solvente. Examina la Figura 22, en la cual se muestra un tubo en forma de U que contiene soluciones con diferentes concentraciones de azúcar, separadas por una membrana selectivamente permeable. ¿Qué sucederá si el solvente (agua) puede pasar a través de la membrana, pero el soluto (azucar) no? Las moléculas de agua se difunden hacia el lado con mayor concentración de azúcar: el lado derecho. Como el agua se mueve hacia la derecha, disminuye la concentración de la solución de azúcar. El agua continúa difundiéndose hasta que se produce un equilibrio dinámico: la concentración de las soluciones es igual en ambos lados. Observa en la Figura 22 que el resultado es un aumento del nivel de la solución del lado derecho. Durante el equilibrio dinámico, las moléculas de agua continúan difundiéndose hacia delante y hacia atrás a través de la membrana, pero las concentraciones en cada lado ya no cambian.

¿Entendiste?

Compara y contrasta la difusión

y la ósmosis.

Antes de la ósmosis

Membrana selectivamente permeable

Minilaboratorio 2 1(A), 2(G), 3(A), 4(B), 11(A)

Investiga la ósmosis ¿Qué sucederá con las células si se ponen en una solución salina fuerte? La regulación del flujo y la cantidad de agua dentro y fuera de la célula es clave para su supervivencia. La ósmosis es un método que regula el contenido de agua en la célula. Procedimiento 1. Lee y completa el formulario de seguridad en el laboratorio. 2. Prepara un portaobjetos control con epidermis de cebolla, agua y tintura de yodo, como lo indique tu maestro. 3. Prepara un portaobjetos de prueba con epidermis de cebolla, agua salada y tintura de yodo, como lo indique tu maestro. 4. Predice el efecto, si lo hay, que tendrá la solución salina en las células de cebolla en el portaobjetos de prueba. 5. Observa el portaobjetos control con el menor aumento de un microscopio compuesto y dibuja varias células de cebolla. 6. Observa el portaobjetos de prueba con el mismo aumento y dibuja tus observaciones. Análisis 1. Analiza y concluye si fue correcta o incorrecta tu predicción. Explica. 2. Explica lo que observaste a partir del proceso de ósmosis.

Después de la ósmosis

Figura 22 Antes de la ósmosis, la concentración de azúcar es mayor en el lado derecho. Después de la ósmosis, la concentración de azúcar es igual en ambos lados. Nombra el término para este fenómeno.

Molécula de agua Molécula de azúcar

Sección 4 • Transporte celular 203

TEM realzada con color. Aumento: 3500×

LM con aumento: 250×

Agua Agua

Molécula de agua Soluto

Figura 23 En una solución isotónica, las moléculas de agua entran y salen de la célula a la misma tasa y las células mantienen su forma normal. Las células animales y vegetales tienen forma Watchnormal en una solución isotónica.

Animation

Células animales

Células vegetales

Células en una solución isotónica Cuando una célula está en una solución que tiene la misma concentración de agua y solutos (iones, azúcares, proteínas y otras sustancias) que su citoplasma, se dice que la célula está en una solución isotónica. Iso- proviene de la palabra griega que significa igual. El agua pasa a través de la membrana plasmática, pero entra y sale de la célula a la misma velocidad. La célula está en equilibrio con la solución y no hay movimiento neto de agua. Las células mantienen su forma normal, como se muestra en la Figura 23. La mayoría de las células de un organismo se encuentran en una solución isotónica, como la sangre.

Figura 24 En una solución hipotónica, el agua entra a la célula por ósmosis, y esta se agranda. Las células animales pueden seguir creciendo hasta que estallan. A medida que aumenta la presión interna, las células vegetales crecen hasta sobrepasar su tamaño normal.

en una solución que tiene menor concentración de soluto, se dice que está en una solución hipotónica. Hipo- proviene de la palabra griega que significa bajo. Hay más agua fuera de la célula que dentro. Debido a la ósmosis, el movimiento neto del agua a través de la membrana plasmática ocurre hacia el interior de la célula, como se ilustra en la Figura 24. La presión que se genera a medida que el agua fluye por la membrana plasmática se llama presión osmótica. En una célula animal, a medida que el agua entra a la célula, aumenta la presión y se dilata la membrana plasmática. Si la solución es extremadamente hipotónica es posible que la membrana plasmática no soporte esta presión y la célula estalle. Las células vegetales no estallan cuando se encuentran en una solución hipotónica, ya que tienen una pared celular mucho más rígida. A medida que aumenta la presión dentro de la célula, la vacuola central se llena de agua, y empuja la membrana plasmática contra la pared celular, como se muestra en la célula vegetal de la Figura 24. En lugar de estallar, la célula vegetal se hace más rígida. Los tenderos usan este proceso para mantener el aspecto fresco de las frutas y los vegetales, rociándolos con agua. SEM realzada con color. Aumento: 3500×

LM con aumento: 250×

Agua Agua

Molécula de agua Soluto

204

Capítulo 7 • Estructura y función celular

Células animales

Células vegetales

(tl)Custom Medical Stock Photo; (tr) Ed Reschke/Peter Arnold/Getty Images; (bl)Custom Medical Stock Photo; (br)Michael Abbey/Photo Researchers, Inc.

Células en una solución hipotónica Si una célula se encuentra

SEM realzada con color. Aumento: 3500×

LM con aumento: 225×

Agua Agua

Molécula de agua Soluto Células animales

Células vegetales

Células en una solución hipertónica Cuando una célula se encuentra en una solución hipertónica, la concentración de soluto es mayor fuera que dentro de esta. Hiper- proviene de la palabra griega que significa sobre. Durante la ósmosis, el movimiento neto de agua ocurre hacia la parte externa de la célula, como se ilustra en la Figura 25. Las células animales se encogen en una solución hipertónica debido a que baja la presión en ellas. En una solución hipertónica, las células vegetales pierden agua principalmente de la vacuola central, y la membrana plasmática se encoge, y se aleja de la pared celular. Una célula vegetal se marchita por la pérdida de agua.

¿Entendiste?

Figura 25 En una solución hipertónica, el agua sale de la célula por ósmosis, haciendo que esta se encoja. Las células animales se encogen a medida que pierden agua. A medida que las células vegetales pierden presión interna, la membrana plasmática se encoge alejándose de la pared celular.

Compara y contrasta los tres tipos de soluciones.

(l)Custom Medical Stock Photo; (r)Educational Images Ltd/Custom Medical Stock Photo

Transporte activo Algunas veces, las sustancias se deben mover en contra del gradiente de concentración, desde un área de menor concentración a una de mayor concentración. Este movimiento de sustancias a través de la membrana plasmática y en contra del gradiente de concentración requiere energía y, por consiguiente, se llama transporte activo. En la Figura 26 se ilustra la forma en que las proteínas portadoras, comúnmente llamadas bombas, intervienen en el transporte activo. Algunas bombas mueven un tipo de sustancia en una sola dirección, mientras que otras mueven dos sustancias a través de la membrana, en la misma dirección o en direcciones opuestas. Gracias al transporte activo, las células mantienen el balance apropiado de las sustancias que necesitan. El transporte activo contribuye con la homeostasis.

Figura 26 Las proteínas portadoras recogen las sustancias y las mueven a través de la membrana plasmática, en contra del gradiente de concentración. Explica por qué el transporte activo requiere energía.

Membrana

Proteína portadora

Soluto Exterior

Interior

Exterior

Interior

Exterior

Interior

Exterior

Interior

Sección 4 • Transporte celular 205

ATP

Na+ A

Las proteínas de la membrana unen iones intercelulares de sodio.

P

ADP

B

El ATP se adhiere a la proteína con los iones sodio unidos.

C

La descomposición del ATP causa un cambio de forma en la proteína y permite la salida de los iones sodio.

E

La unión de potasio libera el fosfato de la proteína.

F

La liberación de fosfato provoca que la proteína vuelva a su forma original, y los iones potasio se muevan dentro de la célula.

K+

D

Iones extracelulares de potasio se unen en los sitios expuestos.

Figura 27 Algunas células usan complejos sistemas de bombeo, como la bomba de Na+/K+ ATPasa que aquí se muestra, para mover sustancias a través de la membrana plasmática. Animation Tutor

Personal Tutor

Exterior de la célula 3 Na+

Azúcar

2 K+

Bomba de Receptor Na+-K+ acoplado Interior de la célula

206

Capítulo 7 • Estructura y función celular

Bomba de Na+/K+ ATPasa Una bomba común de transporte activo es la llamada bomba de sodio-potasio ATPasa. Esta bomba se encuentra en la membrana plasmática de células animales. La bomba mantiene el nivel de los iones sodio (Na+) y potasio (K+) dentro y fuera de la célula. Esta bomba de proteína es una enzima que cataliza la descomposición de una molécula almacenadora de energía. La bomba usa la energía para transportar tres iones sodio fuera de la célula mientras moviliza dos iones potasio hacia el interior de la misma. El alto nivel de sodio en la parte externa de la célula crea un gradiente de concentración. Sigue la secuencia de la Figura 27 para ver el mecanismo de acción de la bomba de Na+/K+ ATPasa. La actividad de la bomba de Na+/K+ ATPasa puede resultar, no obstante, en otra forma de transporte celular. Las sustancias, como las moléculas de azúcar, deben entrar a la célula desde la parte externa, donde es menor la concentración de la sustancia. Esto requiere energía. Sin embargo, recuerda que la bomba de Na+/K+ ATPasa mueve sodio hacia fuera de la célula, lo cual genera una baja concentración de sodio en el interior de la misma. En un proceso denominado transporte acoplado, los iones Na+que han sido bombeados hacia fuera de la célula pueden acoplarse con moléculas de azúcar y ser transportados hacia el interior de la misma mediante una proteína de membrana llamada receptor acoplado. La molécula de azúcar, acoplada a un ion Na+, entra a la célula por difusión facilitada del sodio, como se muestra en la Figura 28. Como resultado, el azúcar entra a la célula sin consumir energía adicional.

Figura 28 Las sustancias se mueven hacia dentro o fuera de la célula por el acoplamiento con otra sustancia que usa una bomba de transporte activo. Compara y contrasta el transporte activo y pasivo a través de la membrana plasmática.

Endocitosis

Exocitosis

Exterior de la célula

Interior de la célula

Membrana plasmática

Exterior de la célula

Vacuola

Vesícula

Transporte de partículas grandes Algunas sustancias son demasiado grandes para atravesar la membrana plasmática por difusión o transporte de proteínas y entran a la célula por un mecanismo diferente. La endocitosis es el proceso por el cual una célula envuelve una sustancia del medio externo, encerrándola en una parte de la membrana plasmática. Entonces, la membrana revienta y libera la sustancia en el interior de la célula. La sustancia que se muestra en la parte izquierda de la Figura 29 es envuelta y encerrada por una porción de la membrana plasmática de la célula. Luego, la membrana revienta en el interior de la célula y la vacuola resultante, con su contenido, se mueve dentro de la célula. La exocitosis es la excreción de sustancias a través de la membrana plasmática. La ilustración de la derecha en la Figura 29 muestra que la exocitosis es lo opuesto a la endocitosis. Mediante la exocitosis, las células expulsan desechos y secretan sustancias, como hormonas producidas por la célula. Tanto la endocitosis como la exocitosis requieren suministro de energía. Las células mantienen la homeostasis al mover sustancias hacia dentro y fuera de ellas. Algunos procesos de transporte requieren de un suministro adicional de energía, mientras que otros no. Los diferentes tipos de transporte permiten que la célula interactúe con su medio mientras mantienen la homeostasis.

Interior de la célula

Figura 29 Izquierda: Sustancias de gran tamaño pueden entrar a la célula por endocitosis. Derecha: Se pueden depositar sustancias fuera de la célula por exocitosis.

¡REPÁSALO! Transporte celular 4(B)

Resumen de la sección Las células mantienen la homeostasis mediante transporte pasivo y activo. La concentración, la temperatura y la presión afectan la velocidad de difusión. Las células deben mantener la homeostasis en todos los tipos de soluciones, incluyendo las isotónicas, las hipotónicas y las hipertónicas. Mediante la endocitosis y la exocitosis se mueven algunas moléculas grandes Checkhacia dentro y fuera de la célula. Self Check

Comprende las ideas principales 1. IDEAPRINCIPAL Enumera y describe los tipos de transporte celular. 2. Describe cómo la membrana plasmática controla lo que entra y sale de una célula. 3. Dibuja un diagrama de una célula animal, antes y después de ponerla en una solución hipotónica. 4. Contrasta la difusión facilitada y el transporte activo.

Pensamiento crítico 5. Describe Algunos organismos que normalmente viven en agua estancada contienen bombas de agua. Estas bombean agua continuamente hacia fuera de la célula. Describe una situación que podría invertir la acción de la bomba. 6. Resume la función de la bicapa fosfolipídica en el transporte celular en las células vivas.

Sección 4 • Transporte celular 207

ENFOQUE 3(B), 3(D)

Veneno de serpiente: Un tratamiento poco probable para el cáncer ¿Cómo algo que te puede matar tiene también el potencial para salvar tu vida? El veneno de las serpientes altera las distintas funciones del cuerpo. Algunos alteran el sistema nervioso, otros, el sistema circulatorio y otros incluso causan parálisis. Debido a que la acción de las diferentes toxinas de veneno es tan específica, los investigadores creen que pueden ser valiosas para la medicina. Los científicos de Texas A&M en Kingsville, Texas, están investigando las toxinas del veneno de serpiente como un tratamiento para el cáncer.

UF2_01P-896188.psd

Parecería una locura, pero esta idea no es nueva. Los chinos han usado el veneno de sapo como un tratamiento natural para el cáncer durante casi 1,000 años.

Las proteínas del veneno de serpiente que les interesan a los investigadores del cáncer se llaman desintegrinas. Estas alteran los receptores celulares llamados integrinas. Algunas desintegrinas podrían ayudar a detener la propagación de células cancerosas evitando que estas se acoplen a otras células y previniendo la formación de nuevos vasos sanguíneos que alimentan el crecimiento del cáncer. Las células cancerosas necesitan nuevos vasos sanguíneos para crecer y propagarse. Las desintegrinas pueden prevenir la expansión de las células cancerosas y suspender su suministro de sangre, ¡todo sin dañar las células sanas! Se prefieren los tratamientos con desintegrinas de toxinas de veneno a la quimioterapia, debido a que tienen una función específica y apuntan solo a ciertos tipos de células. No atacan todo el cuerpo ni causan efectos secundarios indeseados asociados con la quimioterapia.

UF2_02P-896188.psd El veneno se recolecta de serpientes, como esta crótalo diamante occidental. Se seca y se purifica para usarlo posteriormente en la investigación médica.

Historias exitosas Aunque las terapias con veneno de serpiente están aún en etapa de prueba, han demostrado ser efectivas en el tratamiento de cáncer de próstata y en la disminución de tumores de seno, ovario y cerebro. La mayoría de los estudios se han hecho con animales de laboratorio; sin embargo, han tenido tanto éxito que ya han comenzado algunas pruebas clínicas con seres humanos.

Investiga sobre TEXAS Folleto Describe las actividades de los investigadores en el Centro Nacional de Investigación de Toxinas Naturales (NNTRC). ¿Cómo identifican moléculas del veneno de serpiente que podrían ser de importancia médica? Comunica tus hallazgos en un folleto ilustrado que destaque las actividades de los investigadores. WebQuest

208

Capítulo 7 • Estructura y función celular

(b)RIA Novosti/Alamy, (t)©Planetpix/Alamy

Posibilidades infinitas Los venenos son muy complejos. Cada especie de serpiente tiene un veneno diferente, y hay incluso variaciones en una especie. Un enorme suministro de proteínas de veneno de serpiente se emplea para el descubrimiento de medicamentos. Las proteínas específicas del veneno se pueden aislar y purificar para la investigación médica. Como las toxinas se purifican, no son tan peligrosas como el veneno que se inyecta en el cuerpo por la mordedura de una serpiente.

BioLABORATORIO

1(A), 1(B), 2(F), 2(G), 3(A), 3(B), 4(B)

Lab

¿Qué sustancias atraviesan una membrana semipermeable? Información previa: Todas las membranas celulares son selectivamente permeables. En este laboratorio, examinarás el movimiento de algunas moléculas biológicamente importantes a través de una membrana de diálisis, la cual es análoga a la membrana plasmática. Debido a que una membrana de diálisis tiene pequeños poros, es solo permeable a pequeñas moléculas.

Pregunta: ¿Qué sustancias pasan a través de una membrana de diálisis?

Materiales tubos de celulosa para diálisis (2) vasos graduados de 400 ml (2) cuerda tijeras agua destilada recipiente plástico pequeño solución de almidón solución de albúmina solución de glucosa solución de NaCl solución de yodo (prueba para almidón)

reactivo de Benedict (prueba para glucosa) solución de nitrato de plata (prueba para NaCl) reactivo de Biuret (prueba para albúmina) probeta graduada de 10 ml tubos de ensayo (2) gradilla embudo lápiz de cera cuentagotas

Precauciones de seguridad

6. Repite el paso 5 con la segunda solución. 7. Después de 45 minutos, transfiere parte del agua de cada vaso graduado a tubos de ensayo separados. 8. Añade al agua algunas gotas del reactivo de prueba apropiado. 9. Anota los resultados y determina si tu predicción fue correcta. Compara tus resultados con los de otros grupos de la clase y anota los de las dos soluciones que no analizaste. 10. Limpia y desecha Lava y devuelve todos los materiales reutilizables. Desecha las soluciones de prueba y los tubos de diálisis como lo indique tu maestro. Lávate bien las manos después de usar cualquier reactivo químico.

Analiza y concluye 1. Evalúa ¿Pasaron tus moléculas de prueba a través de los tubos de diálisis? Explica. 2. Pensamiento crítico ¿Cuáles características de la membrana plasmática le dan más control sobre el movimiento de las moléculas que el que da la membrana de diálisis? 3. Análisis de errores ¿Cómo podría el hecho de no enjuagar los tubos de diálisis con agua destilada antes de introducirlos en el vaso graduado causar un falso positivo por la presencia de una molécula disuelta? ¿Qué otras fuentes de error podrían generar resultados inexactos?

Procedimiento 1. Lee y completa el formulario de seguridad en el laboratorio. 2. Elabora una tabla de datos como te indique tu maestro. Predice qué sustancias pasarán a través de la membrana de diálisis. 3. Recoge dos trozos de tubo para diálisis, dos vasos graduados de 400 ml y las dos soluciones que te asignaron para la prueba. 4. Rotula los vasos graduados según el tipo de solución que introduzcas en el tubo de diálisis. 5. Con un compañero, prepara y llena una parte del tubo de diálisis con una solución. Enjuaga cuidadosamente el exterior del tubo y ponlo dentro de un vaso graduado que contenga agua destilada.

SESIÓN DE CARTELES Comunica Una enfermedad llamada fibrosis quística ocurre cuando las membranas plasmáticas carecen de una molécula que ayuda en el transporte de iones cloruro. Investiga esta enfermedad y presenta a la clase tus hallazgos mediante un cartel.

Capítulo 7 • Biolaboratorio 209

CAPÍTULO 7 LAGRAN RANIDEA SECCIÓN 1

GUÍA DE ESTUDIO Las células son las unidades estructurales y funcionales de todos los seres vivos.

Descubrimiento y teoría celular

IDEAPRINCIPAL La invención del microscopio condujo al descubrimiento de las células.

VOCABULARIO

• Los microscopios se han usado como herramienta para el estudio científico desde finales del siglo XVI. • Los científicos usan diferentes tipos de microscopios para estudiar las células. • La teoría celular se resume en tres principios. • Existen dos grupos de tipos celulares: células procariotas y células eucariotas. • Las células eucariotas tienen un núcleo y organelos.

• célula (pág. 182) • teoría celular (pág. 183) • membrana plasmática (pág. 185) • organelo (pág. 186) • célula eucariota (pág. 186) • núcleo (pág. 186) • célula procariota (pág. 186)

SECCIÓN 2

La membrana plasmática

IDEAPRINCIPAL La membrana plasmática ayuda a mantener la homeostasis de la célula. • La permeabilidad selectiva es una propiedad de la membrana plasmática que le permite controlar lo que entra y sale de la célula. • La membrana plasmática está compuesta por dos capas de moléculas fosfolipídicas. • El colesterol y las proteínas de transporte ayudan en la función de la membrana plasmática. • El modelo de mosaico fluido describe la membrana plasmática.

SECCIÓN 3

• permeabilidad selectiva (pág. 187) • bicapa fosfolipídica (pág. 188) • proteína de transporte (pág. 189) • modelo de mosaico fluido (pág. 190)

Estructuras y organelos

IDEAPRINCIPAL Las células eucariotas contienen organelos que permiten la especialización y la división de funciones dentro de la célula. • Las células eucariotas tienen organelos con membrana ubicados en el citoplasma, que realizan las funciones celulares. • En los ribosomas se realiza la síntesis de proteínas. • Las mitocondrias son los centros energéticos de las células. • Las células animales y vegetales tienen organelos en común, pero algunos se encuentran específicamente en las células animales o en las células vegetales.

SECCIÓN 4

VOCABULARIO

VOCABULARIO • citoplasma (pág. 191) • citoesqueleto (pág. 191) • ribosoma (pág. 193) • nucléolo (pág. 193) • retículo endoplásmico (pág. 194) • aparato de Golgi (pág. 195) • vacuola (pág. 195) • lisosoma (pág. 196) • centríolo (pág. 196) • mitocondria (pág. 197) • cloroplasto (pág. 197) • pared celular (pág. 198) • cilio (pág. 198) • flagelo (pág. 198)

Transporte celular

IDEAPRINCIPAL Mediante el transporte celular se mueven sustancias en el interior de la célula y hacia dentro y fuera de la misma. • Las células mantienen la homeostasis mediante transporte pasivo y activo. • La concentración, la temperatura y la presión afectan la velocidad de difusión. • Las células deben mantener la homeostasis en todos los tipos de soluciones, incluyendo las isotónicas, las hipotónicas y las hipertónicas. • Mediante la endocitosis y la exocitosis se mueven algunas moléculas grandes hacia dentro y fuera de la célula.

210 Capítulo 7 • Guía de estudio

VOCABULARIO • difusión (pág. 201) • equilibrio dinámico (pág. 202) • difusión facilitada (pág. 202) • ósmosis (pág. 203) • solución isotónica (pág. 204) • solución hipotónica (pág. 204) • solución hipertónica (pág. 205) • transporte activo (pág. 205) • endocitosis (pág. 207) • exocitosis (pág. 207)

CAPÍTULO 7

EVALUACIÓN

SECCIÓN 1 Repaso de vocabulario Las siguientes oraciones son falsas. Para corregirlas, reemplaza la palabra en cursivas por el término de vocabulario correcto de la Guía de estudio. 1. El núcleo es una estructura que rodea la célula y ayuda a controlar lo que entra y sale de esta. 2. Un procarionte tiene organelos con membrana. 3. Los organelos son las unidades básicas de todos los organismos.

Comprende las ideas principales

8. Respuesta breve Compara y contrasta las células procariotas y las células eucariotas.

Pensamiento crítico 9. TEMA CENTRAL ¿Por qué razón un microscopista, que se especializa en el uso de microscopios para examinar especímenes, podría emplear un microscopio óptico en vez de uno electrónico? 10. Analiza Un material, que podría ser una célula, se encuentra en un asteroide. ¿Qué criterios debe cumplir el material para ser considerado como una célula?

SECCIÓN 2

4. Si un microscopio tiene una serie de tres lentes cuyos aumentos individuales son 5×, 5× y 7×, ¿cuál es el aumento total del microscopio? A. 25× B. 35× C. 17× D. 175×

Repaso de vocabulario

5. ¿Cuál de los siguientes enunciados no forma parte de la teoría celular? A. La unidad básica de la vida es la célula. B. Las células vienen de células preexistentes. C. Todos los organismos vivos están compuestos de células. D. Las células tienen organelos rodeados por una membrana.

es la estructura básica que 11. El/La forma la membrana plasmática.

Responde la pregunta 6 a partir de la siguiente fotografía. TEM realzada con color. Aumento: 15,000×

Completa las siguientes oraciones con términos de vocabulario de la Guía de estudio.

mueven sustancias 12. Las proteínas útiles o materiales de desecho a través de la membrana plasmática. 13. El/La es la propiedad que permite que solo algunas sustancias entren y salgan de la célula.

Comprende las ideas principales 14. ¿Cuál de las siguientes orientaciones de fosfolípidos representa mejor la bicapa fosfolipídica de la membrana plasmática? A. C.

B.

©Lester V. Bergman/Corbis

6. ¿Qué tipo de célula muestra la micrografía? A. célula procariota C. célula animal B. célula eucariota D. célula vegetal

Respuesta elaborada 7. IDEAPRINCIPAL Explica cómo el desarrollo del microscopio cambió la manera en que los científicos estudiaron los organismos vivos.

D.

15. ¿Cuál de las siguientes situaciones aumentaría la fluidez de una bicapa fosfolipídica? A. disminución de la temperatura B. aumento del número de proteínas C. aumento del número de moléculas de colesterol D. aumento del número de ácidos grasos insaturados Capítulo 7 • Evaluación 211

EVALUACIÓN Respuesta elaborada 16. IDEAPRINCIPAL Explica cómo la membrana plasmática mantiene la homeostasis dentro de una célula. 17. Pregunta abierta Explica qué es un mosaico y luego explica por qué el término modelo del mosaico fluido se usa para describir a la membrana plasmática. 18. Respuesta breve ¿Cómo permite la orientación de los fosfolípidos en la doble capa la interacción de la célula con sus medios interno y externo?

Pensamiento crítico 19. Formula una hipótesis sobre cómo se vería afectada una célula si perdiera su capacidad de ser selectivamente permeable. 20. Predice ¿Qué sucedería con una célula si no pudiera producir colesterol?

SECCIÓN 3

26. ¿Dónde se produce la síntesis de proteínas? A. poro nuclear B. retículo endoplásmico C. cromatina D. nucléolo 27. ¿En qué estructura esperarías encontrar una pared celular? A. en una célula de piel humana B. en una célula de roble C. en una célula sanguínea de gato D. en una célula hepática de ratón

Respuesta elaborada 28. Respuesta breve Describe por qué el citoesqueleto del citoplasma fue un descubrimiento reciente. 29. Respuesta breve Compara las estructuras y funciones de la mitocondria y el cloroplasto que se muestran.

Repaso de vocabulario Completa el espacio con términos de vocabulario de la Guía de estudio que correspondan con cada función. 21.

: almacena desechos

22.

: produce ribosomas

23.

: genera energía para la célula

24.

: clasifica proteínas en las vesículas

30. IDEAPRINCIPAL Sugiere una razón por la cual los paquetes de proteínas contenidos en una vacuola podrían fusionarse con los lisosomas.

Pensamiento crítico

Comprende las ideas principales Responde las preguntas 25 y 26 a partir del siguiente diagrama. Poro nuclear Cromatina Nucléolo

Retículo endoplásmico

31. Identifica un ejemplo específico en el que la estructura de la pared celular haya ayudado a sobrevivir a una planta en su hábitat natural. 32. Infiere por qué las células vegetales que transportan agua en contra de la fuerza de gravedad contienen muchas más mitocondrias que otras células vegetales.

SECCIÓN 4 Repaso de vocabulario

Ribosoma

25. ¿Qué estructura sintetiza las proteínas que usa la célula? A. cromatina C. ribosoma B. nucléolo D. retículo endoplásmico 212 Capítulo 7 • Evaluación

Explica la diferencia entre cada par de términos. Luego explica cómo se relacionan. 33. transporte activo, difusión facilitada 34. endocitosis, exocitosis 35. solución hipertónica, solución hipotónica

p

Comprende las ideas principales 36. ¿Cuál de los siguientes factores no influye en la velocidad de difusión? A. conductividad C. presión B. concentración D. temperatura 37. ¿Qué tipo de transporte requiere consumo de energía celular? A. transporte activo B. difusión facilitada C. ósmosis D. difusión simple

Respuesta elaborada 38. Respuesta breve ¿Por qué el transporte activo es un proceso que requiere energía? 39. Respuesta breve Algunos protistas que viven en un estanque hipotónico tienen adaptaciones de la membrana celular que reducen la toma de agua. ¿Qué adaptaciones podría tener si viviera en un medio hipertónico como el Gran Lago Salado? LM con aumento: 75×

Evaluación acumulativa 43. LAGRAN NIDEA Las células son las unidades estructurales y funcionales de los seres vivos. Haz una analogía donde las “partes más pequeñas” proporcionen la estructura y la función de un “todo”. Relaciónala con las células y los seres vivos dando ejemplos específicos. 44. A partir de lo que aprendiste sobre ósmosis y transporte celular, diseña un aparato que permita que peces de agua dulce sobrevivan en un hábitat de agua salada. 45. ESCRITURA EN Biología Escribe un poema que describa las funciones de por lo menos 5 organelos celulares.

Preguntas con base en el documento La siguiente gráfica describe la relación entre la cantidad de glucosa que entra en la célula y la velocidad a la cual entra con la ayuda de las proteínas portadoras. Responde las preguntas 46 y 47 a partir de esta gráfica. Datos tomados de: Raven, P.H. y Johnson, G.B. 2002, Biology, 6th ed.: 99.

40. IDEAPRINCIPAL Resume cómo el transporte celular ayuda a mantener la homeostasis en una célula.

Velocidad de difusión

Consumo de glucosa

M I Walker/Science Source/Photo Researchers, Inc.

Pensamiento crítico 41. Formula una hipótesis de cómo el oxígeno atraviesa la membrana plasmática si la concentración del mismo es menor dentro de la célula que fuera de esta. 42. Analiza La siembra y el riego que se realizan en regiones muy secas del mundo dejan sales acumuladas en el suelo a medida que se evapora el agua. Con base en lo que sabes sobre los gradientes de concentración, ¿por qué el aumento en la salinidad del suelo tiene efectos adversos en las células vegetales?

Cantidad de glucosa

46. Resume la relación entre la cantidad de glucosa y la velocidad de difusión. 47. Infiere por qué la velocidad de difusión disminuye gradualmente con grandes cantidades de glucosa. Haz una ilustración para explicar tu respuesta.

Capítulo 7 • Evaluación 213

CAPÍTULO 7

Repaso de BIOLOGÍA

ACUMULATIVO

SELECCIÓN MÚLTIPLE

RESPUESTA BREVE

1 Compara y contrasta las células vegetales y animales. ¿En qué tipo de célula encontrarías cloroplastos?

4 Organiza información sobre los organelos celulares y la síntesis de proteínas en un diagrama de flujo. Para cada paso, analiza la función del organelo en la síntesis de proteínas.

A procariota B solo animal

5 Compara y contrasta las estructuras y funciones de los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

C solo vegetal D todas las células eucariotas

6 Plantea por qué la polaridad de las moléculas de agua hacen que el agua sea un buen solvente en el transporte celular. 2 Compara y contrasta las células vegetales y animales. ¿En qué tipo de célula encontrarías las mitocondrias?

Responde la pregunta 7 a partir de la siguiente figura.

A procariota B solo animal C solo vegetal D todas las células eucariotas

K Número atómico 19

Responde la pregunta 3 a partir de esta ecuación incompleta. CH4 + 4Cl2 →

HCl +

7 A partir de la figura, describe cómo se forma el compuesto iónico cloruro de potasio (KCl).

CCl4

3 La ecuación anterior muestra lo que puede suceder en una reacción entre el metano y el gas cloro. Se omitieron los coeficientes en el lado del producto de la ecuación. ¿Cuál es el coeficiente correcto para el HCl? A 1

Cl Número atómico 17

8 ¿Qué sucedería si las membranas celulares no fueran selectivamente permeables?

9 Elige un recurso natural específico y desarrolla un plan para su uso sostenible.

B 2 C 4 D 8 214 Capítulo 7 • Evaluación

10 ¿Qué puedes inferir sobre la evolución de las células bacterianas luego de estudiar su estructura?

TEST Practice

RESPUESTA AMPLIADA

PRÁCTICA PARA LA PRUEBA

En la siguiente ilustración se muestra una célula animal en una solución isotónica. Responde la pregunta 11 a partir de la ilustración.

Responde las preguntas 16 y 17 a partir de la siguiente ilustración. 1 2 3 4

11 Describe qué sucedería con esta célula en una solución hipertónica y en una solución hipotónica. 12 Explica por qué el valor económico directo no es lo único que se considera importante cuando se trata de biodiversidad.

16 ¿Qué número en la ilustración representa el área donde esperarías encontrar sustancias insolubles en el agua?

13 Analiza por qué un microscopio electrónico puede producir un aumento mayor que el de un microscopio óptico.

A 1

14 Evalúa por qué las proteínas de transporte son necesarias para mover ciertas sustancias a través de la membrana celular.

C 3

B 2

D 4

PREGUNTA DE ENSAYO Recientemente, algunos acuerdos internacionales sobre comercio permitieron a los científicos y a las compañías patentar los descubrimientos que hacen sobre los organismos y su material genético. Por ejemplo, es posible patentar semillas con genes resistentes a enfermedades, o plantas que se pueden usar en la medicina o la industria. Los dueños de una patente tienen entonces mayor control sobre el uso de estos organismos.

17. ¿Cuál es el efecto de que los extremos polares y apolares de las moléculas fosfolipídicas estén orientados como muestra la ilustración? A. Permite que las proteínas de transporte se muevan fácilmente por la membrana. B. Controla el movimiento de sustancias a través de la membrana.

Con la información del párrafo anterior, responde la siguiente pregunta a manera de ensayo.

C. Ayuda a la célula a mantener su forma característica.

15 Con base en lo que sabes sobre la biodiversidad, identifica algunos puntos a favor y en contra de un sistema de patentes. Escribe un ensayo en el que explores los puntos a favor y en contra de patentar los descubrimientos de organismos.

D. Crea más espacio dentro de la bicapa fosfolipídica.

¿NECESITAS AYUDA ADICIONAL? Si no pudiste responder la pregunta. . .

Repasa la sección. . .

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

7.3

7.3

6.2

7.3

6.4

6.3

6.1

7.2

5.3

7.1

7.4

5.1

7.1

7.4

5.2

7.2

7.2

Capítulo 7 • Evaluación 215