Elefante Asiatico 518 (recuperado) 1c4j8

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO COLEGIO DE CIENCIAS Y HUMANINDADES PLANTEL NAUCALPAN

Biología III

Biol. Juan Carlos Pérez Vertti Rojas

Primer reporte del mamífero: Elephas maximus (Elefante Asiático)

Grupo 518

García Zamudio Daniela Ivonne Jiménez Álvarez María Fernanda Jiménez Rangel Héctor Alfredo Lugo Amaya Sandy Manuel López Keila Carolina

INDICE

1.- Respiración fisiológica ………………………………………………………………4 2.- Anatomía del aparato respiratorio del Elephas maximus (Elefante asiático) …5 3.- Fisiología del aparato respiratorio (intercambio gaseoso y difusión del oxígeno hasta entrar a las células) del Elephas maximus (Elefante asiático) ………..........8 4.- Comparación de los tipos de respiración fisiológica: a) b) c) d)

Pulmonar …………………………………………………………………………14 Branquial …………………………………………………………………………15 Cutánea …………………………………………………………………………. 16 Traqueal ………………………………………………………………………. ...17

5.- Respiración en vegetales (intercambio gaseoso) ………………………………. 19 6.- Respiración celular ……………………………………………………………….... 25 7.- Respiración anaeróbica: Glucólisis ………………………………………………. 26 8.- Respiración aeróbica: Ciclo de Krebs, transporte de electrones y quimiósmosis……………………………………………………………………………. 30 9.- Referencias …………………………………………………………………………. 36

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1.- Respiración fisiológica El concepto de respiración designa a aquel proceso a través del cual los seres vivos absorben (inspiración) y expulsan (espiración) aire tomando parte

de

las

sustancias

que

lo

conforman. Es el proceso vital que llevan a cabo los seres vivos y que implica la captación de oxígeno del ambiente y la expulsión de dióxido de carbono incensario. Solamente los seres vivos son capaces de llevar a cabo el proceso de respiración y además el mismo es indispensable porque demandan de oxígeno para vivir. La respiración es una importante función vital que tiene como principal objetivo el intercambio de dos gases, para ello se llevan a cabo dos procesos, por una parte, se capta oxígeno del ambiente y por otra se expulsa el dióxido de carbono producido en las células. El intercambio gaseoso ocurre entre el sistema respiratorio y el sistema circulatorio a través de un proceso llamado difusión. Para llevar a cabo este proceso los animales cuentan con una estructura conocida como aparato respiratorio, que se encuentra constituido por las vías aéreas y los pulmones. La vía aérea permite el paso de aire desde el exterior hasta la unidad funcional de los pulmones conocida como alveolo, que se encuentra en estrecha relación con el aparato circulatorio, sistema que se encarga de transportar el oxígeno desde los pulmones a los diferentes tejidos en donde actuará como combustible para llevar a cabo el metabolismo de los carbohidratos y las grasas, 3

con el objeto de producir energía, y recoger el dióxido de carbono generado como producto final de este proceso de combustión para trasladarlo a los pulmones para su expulsión mediante el proceso de ventilación. En la sangre los gases son transportados en una proteína ampliamente conocida, la hemoglobina, que se encuentra localizada en el interior de los glóbulos rojos. No todo el oxígeno es transportado en la sangre por la hemoglobina, una pequeña fracción de este se encuentra disuelto en el plasma. Debemos decir que, durante la inhalación del aire, además del oxígeno ingresan al organismo una serie de elementos que son plausibles de contaminar

nuestro

cuerpo, tal es el caso del polvo. Ahora bien, el diseño de nuestro cuerpo es sabio y por ello es que en la nariz disponemos de un filtro que rechaza naturalmente aquellos elementos que pueden causarnos problemas. La respiración es un proceso controlado por el sistema nervioso autónomo o vegetativo, estructura que cuenta con receptores capaces de determinar las concentraciones de los gases en sangre y mantenerlos en sus niveles óptimos mediante el ajuste de la frecuencia respiratoria. La respiración tiene también un importante papel en la regulación del pH sanguíneo (grado de acidez de la sangre), proceso conocido como equilibrio acido-base. 4

Mediante la respiración el cuerpo dispone de fuerza, de energía y de la vitalidad que se necesita para vivir.

2.- Anatomía del aparato respiratorio del Elephas maximus (Elefante Asiático) Los mamíferos son un grupo muy heterogéneo de animales. La única característica que comparten todos los mamíferos, además de presentar todos glándulas mamarias, es la de tener la respiración de tipo pulmonar. Como elementos característicos de esta respiración, presentan los alveolos que es el lugar donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre, y el diagrama, que separa la cavidad torácica de la cavidad abdominal y que sirve con el objetivo de introducir el aire en los pulmones o expulsarlo. El elefante es el nombre con el que es conocido el mamífero terrestre más grande del mundo, hoy en día existen dos especies diferentes de dicho animal, el asiático y el africano. Ambas especies ocupan hábitats variadas como desiertos, sabanas, zonas de bosques tropicales, valles de ríos entre otras. La respiración de los elefantes al igual que nosotros, tienen situado debajo de las costillas los pulmones, necesitan mucho oxígeno para vivir, llenan y vacían los pulmones llegando a respirar unos 200 millones de veces a lo largo de su vida promedio. Tienen un diseño único en su cuerpo que hace que sea difícil de confundir con cualquier otro animal en el mundo, son animales muy grandes con 5

una anatomía que se desarrolla de manera que tengan una muy buena oportunidad de sobrevivir en su hábitat natural. Todos nosotros estamos familiarizados con la trompa de un elefante y cabe mencionar que es la parte más importante del cuerpo de este animal, ya que

le permite realizar diversas

acciones, por ejemplo, para comer, beber, oler, tocar, vocalizar, lavarse, tirarse polvo para espantar a los insectos, y para pelear; además la acción más importante que realiza es la respiración en donde el proceso consiste en que la inspiración del elefante es conducida a los pulmones por medio de turbo compresores

naturales,

además de destacar que en el sistema respiratorio de

los

elefantes

encuentran

se

ligamentos

fibrosos que cubren a los pulmones y los suben a las costillas, esto es totalmente único en ellos y se debe a la pleura, que es aquella membrana delgada formada por fibras y células. Está constituida por dos capas, una que tapiza la cavidad torácica, la pleura parietal y otra que recubre la superficie de los pulmones, la pleura visceral. La pleura libera una pequeña cantidad de líquido que se deposita entre ambas capas. Cuando la pared torácica se desplaza hacia afuera, para incrementar el tamaño de la cavidad torácica, la pleura parietal la acompaña, esto hace que la pleura visceral expanda a los pulmones, permitiendo de este modo que ingrese el aire.

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Esquema del sistema respiratorio del elefante.

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3.- Fisiología del aparato respiratorio (intercambio gaseoso y difusión del oxígeno hasta entrar a las células) del Elephas maximus (Elefante asiático)

La respiración puede ser relajada o forzada. La primera se realiza cuando se lleva a cabo actividades de poco gasto energético o en reposo. El diafragma se contrae, bajando hacia el abdomen. Aumenta el volumen de la cavidad torácica, con lo que los pulmones se expanden y succionan aire del exterior. En este momento ya se ha producido la inspiración. Cuando el diafragma se relaja, los pulmones son presionados y expulsan el aire que contienen, desde abajo. Entonces se produce la espiración. La espiración puede consistir, simplemente en relajar los músculos intercostales, con lo que el peso de las costillas vacía los pulmones. Puede ayudar la presión de músculos torácicos internos que presionan las costillas hacia los pulmones y la fuerza de los músculos abdominales, que presionan el abdomen hacia dentro, con lo que los pulmones se vacían desde abajo. Por otro lado, la segunda se realiza cuando el individuo lleva a cabo una actividad energética fuerte. Los músculos torácicos elevan las costillas hacia delante. Con ello, aumenta el volumen de la cavidad torácica mucho más que en la respiración relajada. Se produce la inspiración. Es importante recalcar que la trompa es un órgano exploratorio de los elefantes. Dentro de la fisiología del Elephas maximus (Elefante Asiático) se abarcan varios órganos interiores y exteriores respecto a su aparato respiratorio. A continuación, se explicará cada uno de ellos.

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Órganos Externos

Orificios nasales: Son los conductos por donde entra el aire cargado de oxígeno y dióxido de carbono. Se encuentran en la punta de la trompa. Trompa: Es un órgano extremadamente flexible que puede ser usado para los toques más finos, es una parte importante para la vida del elefante. 

Órganos Internos

Tráquea: Es un órgano del aparato respiratorio de carácter cartilaginoso y membranoso que va desde la laringe a los bronquios. Su función es brindar una vía abierta al aire inhalado y exhalado desde los pulmones. Pulmones: Los pulmones son los órganos en los cuales la sangre recibe oxígeno desde el aire y a su vez la sangre se desprende del dióxido de carbono el cual pasa al aire. Este intercambio, se produce mediante la difusión del oxígeno y el dióxido de carbono entre la sangre y los alvéolos que forman los pulmones. Diafragma: Es un tejido músculotendinoso que separa la cavidad torácica de la abdominal. Es característico de todos los mamíferos y aparece en algunas aves de manera rudimentaria. Un dato interesante sobre la capacidad pulmonar de los elefantes es que poseen un apéndice tan largo y esto les atribuye magnificas ventajas. Esta capacidad ha sorprendido a biólogos, porque a la profundidad a la que atraviesan los ríos, los pulmones de cualquier otro mamífero terrestre resultarían dañados por efecto de la gran presión hidrostática a la que se encuentran sometidos. Sin embargo, las membranas pleurales de los pulmones de los elefantes se

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encuentran bajo el agua a una presión muy alta, pero a los elefantes no les afecta en ningún sentido, ya que, en vez de poseer membranas pleurales normales, tienen una capa densa de tejido conjuntivo y gracias a esa capa pueden evitar los potenciales efectos negativos de la alta presión. El proceso fisiológico de la respiración tiene varios procesos que se llevan a cabo gracias a los órganos y la estructura con la que se cuenta. La principal función del aparato respiratorio es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. El oxígeno inhalado penetra en los pulmones y alcanza los alvéolos. Las capas de células que revisten los alvéolos y los capilares circundantes se disponen ocupando el espesor de una sola célula y están en o estrecho unas con otras. Esta barrera entre el aire y la sangre tiene un grosor aproximado de una micra (1/10 000 cm). El oxígeno atraviesa rápidamente esta barrera aire–sangre y llega hasta la sangre que circula por los capilares. Igualmente, el dióxido de carbono pasa de la sangre al interior de los alvéolos, desde donde es exhalado al exterior. La sangre oxigenada circula desde los pulmones por las venas pulmonares y, al llegar al lado izquierdo del corazón, es bombeada hacia el resto del organismo. La sangre con déficit de oxígeno y cargada de dióxido de carbono vuelve al lado derecho del corazón a través de dos grandes venas: la vena cava inferior y la vena cava superior. A continuación, la sangre es impulsada a través de la arteria pulmonar hacia los pulmones, donde recoge el oxígeno y libera el dióxido de carbono.

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Los tres procesos esenciales para la transferencia del oxígeno desde el aire del exterior a la sangre que fluye por los pulmones son: ventilación, difusión y perfusión.



Ventilación: La ventilación es el proceso por el cual el aire entra y sale de los pulmones. Es decir, es la fase de la respiración en la cual se produce el intercambio gaseoso entre la atmosfera y los alveolos pulmonares, es decir, se producen los movimientos de inspiración (el aire penetra en los pulmones) y la respiración el aire se expulsa al exterior). Estos movimientos son en parte voluntarios, aunque existe un centro de control respiratorio que se sitúa en el bulbo raquídeo, y que coordina la contracción y relajación de los músculos que, intervienen en la respiración. Durante la inspiración se produce un movimiento de contracción y aplanamiento del diafragma, así como de los músculos intercostales externos, que permite a la caja torácica un aumento de volumen y por tanto del propio volumen pulmonar. Como resultado de esto se produce una reducción de la presión interna en los pulmones con respecto a la presión del aire en el exterior, y consecuentemente el aire penetra hasta los pulmones a través de las vías respiratorias. Por su parte, en la espiración se produce una relajación del diafragma y de los músculos intercostales, los cuales reducen el volumen de la caja torácica y por tanto de los procesos pulmonares

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

Difusión: La difusión es el movimiento espontáneo de gases entre los alvéolos y la sangre de los capilares pulmonares sin intervención de energía alguna o esfuerzo del organismo. Es decir, la difusión es la fase de la respiración en la cual se produce el paso del aire por el lecho capilar pulmonar, es decir, se manifiesta un intercambio gaseoso entre los alveolos pulmonares y la sangre, o dicho de otra forma el oxígeno y el dióxido de carbono pasan de los alveolos a la sangre y viceversa. Se estima que pueden existir hasta 700 millones de alveolos entre ambos pulmones (hasta 200 m), el medio difusor es una película liquida de baja tensión superficial que es segregada por los propios alveolos.



La perfusión:

La perfusión es el proceso por el cual el sistema

cardiovascular bombea la sangre a los pulmones. La circulación corporal es un vínculo esencial entre la atmósfera, que contiene oxígeno, y las células del cuerpo, que lo consumen. En esta fase de transporte se produce la distribución de los gases (Oxigeno-O2), y el dióxido de carbono (CO2)

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hasta las células mediante la corriente sanguínea. El oxígeno es transportado mayormente en forma de oxihemoglobina dentro de los glóbulos rojos, es decir, oxígeno combinado con la hemoglobina. Existe una relación directa entre la cantidad de oxihemoglobina transportada y factores tales como la temperatura, PH y presión atmosférica, este es el motivo de que a determinadas altitudes se produzca una dificultad mayor para respirar (por ejemplo, en la alta montaña). El oxígeno también va en parte disuelto en el plasma, manteniéndose un equilibrio entre este y la oxihemoglobina, de tal forma que si el plasma pierde oxigeno se produce una dilución de los excedentes de oxihemoglobina en el plasma para restituir el equilibrio. Por su parte, el dióxido de carbono es transportado por la sangre de varias formas sea diluido en el plasma en forma de bicarbonatos, en combinación con las proteínas del plasma, o en forma de carbohemoglobina en combinación con la hemoglobina del eritrocito. Cuando en el medio ambiente existe un exceso de monóxido de carbono (gas venenoso que proviene de la oxidación incompleta del carbono), entonces en la respiración se produce la combinación de este con la hemoglobina formando la carboxihemoglobina. Consecuentemente este hecho conduce a la imposibilidad de que el oxígeno se pueda combinar con la hemoglobina, y por lo tanto no se produce un transporte hasta las células, el resultado final es por tanto la asfixia.

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4.- Comparación de los tipos de respiración fisiológica La fisiología respiratoria es una rama en la fisiología humana que se enfoca en el proceso de respiración, tanto externa, captación de oxígeno (O2) y eliminación de dióxido de carbono (CO2), como interna, utilización e intercambio de gases a nivel tisular. Existen diferentes tipos de respiración para los diversos seres de vivos que existen, entre ellos se encuentran la pulmonar, branquial, cutánea y traqueal. a) Pulmonar Los pulmones son estructuras pertenecientes al sistema respiratorio, se ubican en la caja torácica, delimitando a ambos lados el mediastino, sus dimensiones varían, el pulmón derecho es algo más grande que el izquierdo, debido al espacio ocupado por el corazón. Los pulmones son los órganos en los cuales la sangre recibe oxigeno desde el aire y a su vez la sangre se desprende de dióxido de carbono entre la sangre y los alveolos que forman los pulmones. Están situados dentro del tórax, protegidos por las costillas y a ambos lados del corazón. Son huecos y están cubiertos por una doble membrana lubricada (serosa) llamada pleura. La pleura es una membrana de tejido conjuntivo, elástica que evita que los pulmones rocen directamente con la pared interna de la caja torácica. Posee dos capas, la pleura parietal o externa que recubre y se adhiere al diafragma y a la parte interior de la caja torácica, y la pleura visceral que 14

recubre el exterior de los pulmones, introduciéndose en sus lóbulos a través de las cisuras. Entre ambas capas existe una pequeña cantidad (unos 15 cm³) de líquido lubricante denominado líquido pleural.

b) Branquial Las branquias o agallas son los órganos respiratorios de los animales acuáticos, mediante los que se realiza el intercambio de gases, oxígeno y dióxido de carbono, entre el medio interno y el ambiente. Los animales acuáticos captan O2 que se encuentra disuelto en el agua, el cual pasa a los fluidos internos y es transportado a los tejidos, donde las células lo requieren para la respiración celular, proceso que se realiza en orgánulos celulares llamados mitocondrias. Los animales más pequeños y de menor tasa metabólica realizan el intercambio de gases por su superficie corporal. Los más grandes o activos necesitan una superficie de intercambio más extensa, para lo que han adquirido en el curso de la evolución estructuras especializadas a las que se llama branquias.

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c) Cutánea La respiración cutánea es propia de los anélidos, anfibios (en combinación en estos dos casos con otro tipo de respiración) y de ciertos equinodermos. En este tipo de respiración hay que distinguir el tegumento corporal, que configura la estructura respiratoria, y la piel, a través de la cual se realiza el intercambio gaseoso, la cual debe ser muy fina, húmeda y estar bien irrigada por el medio interno del animal. El intercambio gaseoso se realiza a través de la epidermis, siempre y cuando la cutícula externa esté húmeda; algo que se consigue porque están intercaladas entre las células cúbicas del epitelio (de una sola capa), hay células glandulares. Los animales que respiran por la piel o por tegumento viven en el medio acuático o en lugares muy húmedos, ya que solo en estos ambientes es eficaz. Poseen este tipo de respiración las lombrices de tierra; medusas y anémonas; los sapos y las ranas. La respiración cutánea junto a la branquial, traqueal y pulmonar, uno de los cuatro tipos de respiración que pueden presentar los animales. Consiste en realizar el intercambio gaseoso a través de la piel o de ciertas áreas como la cavidad bucal o en cavidades internas que, repletas de agua, constituyen

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los llamados pulmones acuáticos de holoturias y ciertos moluscos gasterópodos. Los anfibios, cuando se encuentran en estado larvario, respiran en el interior del agua a través de branquias; cuando sufren su metamorfosis para entrar en la edad adulta, pierden esas branquias y desarrollan unos pulmones para poder respirar en tierra. Poseen una epidermis muy fina y una dermis bien vascularizada para poder transportar el oxígeno a todo el cuerpo a través de la sangre.

d) Traqueal La respiración traqueal es aquella que llevan adelante los insectos, los arácnidos y otros seres vivos haciendo uso de estos órganos. Las tráqueas dan lugar a un sistema compuesto por estos conductos, los cuales ingresan en los tejidos. De esta manera, el oxígeno llega a las células de manera directa y no interviene el aparato circulatorio. Esto quiere decir que, a través de la respiración traqueal, el aire se moviliza sin llegar al líquido circulatorio conocido como hemolinfa (que cumple una función análoga a la sangre en el ser humano y en el resto de los

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vertebrados). Mediante las tráqueas, los gases ingresan en las células sin otra intermediación. Las tráqueas están conectadas al exterior mediante espiráculos o estigmas, que es el nombre que reciben los poros que se abren y se cierran. De este modo, el aire ingresa por los espiráculos, pasa a las tráqueas y circula por estos conductos. Luego llega a las ramificaciones estrechas de las tráqueas, conocidas como traqueolas, que ingresan en las células. En las traqueolas, finalmente, se produce el intercambio de dióxido de carbono,



oxígeno y otros elementos. Los tres elementos fundamentales del sistema traqueal son: Espiráculos: también llamados estigmas, como se menciona anteriormente, son poros de forma redondeada que pueden contar con una cavidad estructurada a base de espinas o pelos que reducen al máximo la pérdida de agua y bloquean el ingreso de parásitos y polvo, o bien que se abren de manera directa al exterior. Es importante mencionar que los espiráculos tienen más de un sistema de cierre y que en cada orden de insectos pueden estar distribuidos de forma diferente, aunque suele haber un par por



cada segmento de su cuerpo; Tráqueas: se trata de tubos huecos que permiten la circulación de los gases usados en la respiración. Cuentan con un revestimiento de cutícula y un espiral de anillos que sirven de refuerzo y sostén para evitar un eventual colapso. A lo largo de toda su extensión, presentan un tejido permeable a los gases y pueden tener sacos aéreos, o sea cámaras capaces de almacenar aire y dilatarse, los cuales resultan muy útiles durante el vuelo;

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

Traqueolas: es el tercero de los componentes de la respiración traqueal y consiste en la ramificación de las tráqueas, las cuales se afinan y permiten el transporte de gases metabólicos en ambas direcciones con los tejidos.

5.- Respiración en vegetales (intercambio gaseoso) La respiración de las plantas se da por un intercambio gaseoso con la atmosfera, este procesa se da a través del cual absorbe el oxígeno que ellas mismas necesitan y luego eliminan, como si fuera una especie de desecho, comúnmente denominado dióxido de carbono. Esta respiración se da por el principal proceso conocido como fotosíntesis. La fotosíntesis es un proceso en el cual las plantas, algas y algunas bacterias transforman la energía luminosa en energía química, es decir la energía luminosa para formar compuestos orgánicos y oxígeno a partir de bióxido de carbono y agua. Los productos que se obtienen de la fotosíntesis son indispensables para mantener la vida de las plantas y de manera indirecta para la subsistencia de los organismos heterótrofos. La ecuación general de la fotosíntesis se puede representar de la siguiente manera: 6CO2 + 6H2O + energía luminosa → C6 H12 O6 + 6O2 19

El proceso de la fotosíntesis se desarrolla en los cloroplastos de las células vegetales y algas. Son organelos celulares que presentan forma de ovalo con una membrana interna y otra externa que lo envuelve, contiene en su interior iones y enzimas a las que se le denomina estroma, en este espacio se realiza la fase independiente de la luz o fase oscura, dentro del estroma existe una rede compleja de discos conectados entre sí llamados tilacoides, en donde se realiza la fase fotosintética dependiente de la luz, sobre estos se encuentran los pigmentos fotosintéticos como la clorofila; los tilacoides se apilan entre sí para formar una nueva estructura llamada grana. Es importante saber la estructura de un cloroplasto, el cual

está

integrado

por:

Membrana interna, membrana externa,

estroma,

tilacoide

y

grana.



Membrana interna Estructura formada

por

fosfolípidos, proteínas y carbohidratos

que

se

localiza en la cara interna



de la membrana del cloroplasto. Membrana externa Estructura formada por fosfolupidos, proteínas y carbohidratos que se localiza en la cara externa de la membrana del cloroplasto. 20



Estroma Espacio interno del cloroplasto formado por iones y líquidos, en él se realiza



la fase oscura de la fotosíntesis o no dependiendo de la luz. Tilacoide Estructura en forma de moneda en la cual se encuentran los cloroplastos,



en él se realiza la fase luminosa o dependiente de la luz. Grana Conjunto de tilacoides apilados dentro del cloroplasto.

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En los eucariontes los pigmentos o moléculas fotosintéticas que realizan la fotosíntesis están localizados en los tilacoides, estos pigmentos son: la clorofila a, clorofila b, carotenoides y xantofilas (conocidos estos últimos como pigmentos antena). En algunos procariontes o bacterias el fenómeno de la fotosíntesis se realiza en la membrana plasmática y los pigmentos que la realizan son la bacterioclorofila. La

única

estructural

diferencia entre

ambos

tipos de clorofila es que el CH3, de la clorofila a, es reemplazado por el COH en la clorofila b. El proceso de la fotosíntesis se realiza en dos fases, la fase luminosa y la fase oscura, esta última también se denomina fase independiente de la luz o ciclo de Calvin. En la fase luminosa, la luz que incide sobre el tilacoide y sobre la clorofila propicia que se exciten los electrones y que además se produzca la hidrólisis del agua. Por este proceso la energía luminosa provoca que el adenosin difosfato (ADP) se una a un fosforo inorgánico (Pi) para formar adenosin trifosfato (ATP), por otro lado, la nicotinamida adenina dinucleotido fosfato (NADP) acepta protones (H+) para formar el NADPH. En este proceso el agua que se hidrolizó permite que se libere oxígeno en la atmósfera como producto secundario. En la fase oscura el ATP y el NADPH que se forman en la fase luminosa se utilizan junto 22

con el CO2 atmosférico para producir moléculas orgánicas sencillas como la glucosa.

 Fase Luminosa En esta fase la luz solar es captada por la clorofila que se localiza en los tilacoides del cloroplasto, un fotón incide sobre la molécula de clorofila para excitar a un electrón y éste es desplazado a un nivel de mayor energía, así el electrón se transfiere de una molécula a otra, este proceso ocurre centenares de veces en diferentes complejos captadores de luz. Después, los electrones entran a un fotosistema de tipo I y II, los cuales están rodeados de diferentes moléculas, pigmentos y complejos que atrapan la luz.

Y de inmediato los

electrones entran en una cadena transportadora situada al lado del fotosistema. Muchos procariontes fotosintéticos tienen solo el fotosistema II mientras que todos los eucariontes fotosintéticos poseen el tipo I y II. La fase dependiente de la luz transforma la energía luminosa en energía química.  Fase oscura El ATP y el NADPH formados en la fase dependiente de la luz, se utilizan en el estroma del cloroplasto junto con el CO2 atmosférico para la síntesis de glucosa. El CO2 atmosférico llega a las células fotosintéticas de las plantas a través de aperturas especializadas situadas en el envés de la hoja llamadas “estomas”, en las algas pasa a través de los tejidos por difusión, dicho fenómeno es conocido como fijación del carbono. La fase oscura es un proceso cíclico conocido como de Calvin-Benson o fase independiente de la luz. Para formar una molécula de glucosa se requieren de seis moléculas de CO2, durante este proceso se generan moléculas

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intermediarias a partir de ribulosa bifosfato o rubisco (RuBP), algunas moléculas se reutilizan en el ciclo y otras sirven para la síntesis de glúcidos. La energía que impulsa al ciclo de Calvin-Benson proviene del ATP y el NADPH producidos por las reacciones de captura de energía en la primera etapa de la fotosíntesis.

6.- Respiración celular

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Los procesos por los cuales las células degradan las moléculas orgánicas para producir ATP reciben el nombre de respiración celular. La respiración celular es el motor de las diversas formas de vida, desde las más simples hasta las más complejas, y éstas dependen de la energía química que se asimila desde el medio ambiente por medio de las células y se transfiere de una molécula a otra en forma escalonada en su interior. Es un proceso exergónico, donde se aprovecha parte de la energía contenida en las moléculas de alimento, decimos parte de la energía porque no toda es utilizada, sino que una parte se pierde en forma de calor. Aproximadamente el 40% de la energía producida por la oxidación de la glucosa se conserva en forma de ATP. Cerca del 75% de la energía de la nafta se pierde como calor de un auto; solo el 25% se convierte en formas útiles de energía. La célula es mucho más eficiente. Tanto la respiración celular como la combustión son reacciones exergónicas. Sin embargo, existen significativas diferencias entre ambos procesos. La combustión es un fenómeno incontrolado en el que todos los enlaces químicos se rompen al mismo tiempo y liberan la energía en forma súbita; por el contrario, la respiración es la degradación del alimento con la liberación paulatina de energía. Este control esta ejercido por enzimas específicas. Por otra parte, la combustión produce calor y algo de luz. Este proceso transforma energía química en calórica y lumínica. En cambio, la energía libreada durante la respiración es utilizada fundamentalmente para la formación de ATP. La respiración celular puede ser considerada como una serie de reacciones de óxido. Reducción en las cuales las moléculas combustibles 25

son paulatinamente oxidadas y degradadas liberando energía. Los protones perdidos por el alimento son captados por coenzimas. La respiración ocurre en distintos compartimientos celulares: la primera de ellas es el glucólisis que ocurre en el citoplasma. La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia de O2 en el medio, determinando en el primer caso la respiración aeróbica (ocurre en las mitocondrias), y en el segundo caso la respiración anaeróbica o fermentación (ocurre en el citoplasma). A partir de todo lo dicho anteriormente podemos darnos cuenta que la respiración celular, es un proceso muy complejo, lleno de reacciones químicas y procesos, además de ser fundamental para la vida. Está presente en todo momento y requiere muchas acciones, desde la ingestión de los alimentos, el sistema respiratorio, el movimiento del musculo, etc.

7.- Respiración anaeróbica: Glucólisis La respiración anaerobia consiste en que la célula obtiene energía de una sustancia sin utilizar oxígeno; al hacerlo, divide esa sustancia en otras; a la respiración anaerobia también se le llama fermentación. Probablemente la respiración anaerobia más conocida sea la de las lavaduras de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae), que son hongos unicelulares. Las células musculares del ser humano

también

pueden

obtener

energía a través de una respiración anaerobia. Pero, ¿Cómo se lleva a 26

cabo este proceso? Cuando una persona realiza un ejercicio extenuante el cuerpo necesita mayor cantidad de oxígeno para que las células lo utilicen en la descomposición de la glucosa para obtener energía. Si la actividad que realiza la persona exige a las células musculares un esfuerzo extremo, éstas van a requerir de un gran suministro de energía. Durante el ejercicio intenso el aparato circulatorio no proporciona suficiente oxígeno para satisfacer las necesidades de las células musculares. En el momento que no llega el suficiente oxígeno a los músculos, las células musculares realizan un proceso anaeróbico para obtener energía; durante el proceso se produce un ácido láctico, Al acumularse, el ácido láctico provoca dolor y fatiga muscular. Una vez que la persona deja de hacer ejercicio, la respiración celular vuelve a ser aerobia. Existen dos tipos de organismos anaerobios; los estrictos y los facultativos. Los estrictos mueren en presencia del oxígeno, por lo cual existen en las profundidades de la corteza terrestre y del mar, donde no hay oxígeno, y en el intestino de muchos animales, incluido el nuestro (en esos sitios no abunda el oxígeno). Pero, algunas especies viven en zonas más superficiales, como el material en descomposición del suelo en zonas de mucha vegetación, zonas pantanosas o el fondo de los lagos es el caso de las bacterias de los géneros Clostridium, Ruminococcus, Fusobacterium y Methanobacterium. Los organismos anaerobios facultativos también pueden realizar la respiración aerobia si se encuentran en presencia de oxígeno. La mayoría de las especies que fermentan la leche, el queso, el vino, la cerveza, el pulque, etc., son facultativas, por ejemplo, la leche que tomamos contiene las bacterias que se 27

utilizan para elaborar quesos y yogurt; cuando la leche no se refrigera comienzan a descomponerla. Las levaduras del vino se encuentran sobre la cáscara de las uvas y luego en su jugo. La fermentación cumple con una función ecológica al descomponer los cuerpos de los seres que mueren; innumerables especies de hongos y bacterias se encargan de esa tarea. Cuando en el lugar donde viven estos microorganismos las condiciones del medio se vuelven difíciles cubren su cuerpo con una capa protectora y se convierten en esporas. 

La Glucolisis El primer set de reacciones es la respiración celular se conoce como glucolisis una palabra que literalmente significa “ruptura del azúcar”. La glucólisis

involucra

muchos

pasos

químicos

que

transforman

a

la

Glucosa. El resultado final es la producción de 2 moléculas de 3 átomos

de

carbono

llamada ácido pirúvico. Durante la glucólisis una molécula de glucosa, un compuesto de 6 carbono es transformada a 2 moléculas de ácido pirúvico, un compuesto de 3 átomos de carbono.

A medida que los enlaces en la glucosa son

descompuestos y reordenados, la energía es liberada.

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Producción de ATP. Aun cuando la glucólisis es un proceso liberador de energía, la célula necesita ocupar un poco de esa energía para funcionar. Al inicio de la vía glucolitica, se usan 2 moléculas de ATP. Las 2 moléculas de ATP usadas al inicio de la glucólisis son como una inversión que se pagará con “interés”. Para ganar interés en un banco, primero debes depositar dinero en una cuenta. Aunque la célula invierte 2 moléculas de ATP en su “cuenta” para que funcione la glucólisis, esta vía produce 4 moléculas de ATP. Esto le da a la célula una ganancia neta de 2 moléculas de ATP por cada molécula de Glucosa que entra a glucolisis. Producción de NADH. Una de las reacciones de la glucólisis remueve 4 electrones ahora en un estado de alta energía y los transfiere a un transportador de electrones llamado NAD+ o nicotinamida adenina dinucleótido. Tal como el NADP+ en la fotosíntesis, cada molécula de NAD+ acepta un par de electrones de alta energía y un H+. Esta molécula, ahora conocida como NADH, mantiene a los electrones hasta que ellos puedan ser transferidos a otras moléculas. Estos electrones de alta energía pueden ser usados para producir aún más moléculas de ATP. Las ventajas de la glucólisis. En el proceso de glucólisis, 4 moléculas de ATP son sintetizadas a partir de 4 moléculas de ADP. Dado que 2 moléculas ATP se usan en el inicio del proceso, hay una ganancia neta de sólo 2 moléculas de ATP. Aunque la ganancia neta de energía por la glucólisis es pequeña, el proceso es tan rápido que las células pueden producir moles de moléculas de ATP en solo unos pocos milisegundos. La rapidez de la glucólisis puede ser una gran ventaja cuando las demandas de energía por parte de una célula aumentan repentinamente. 29

Además de la rapidez, otra ventaja de la glucólisis es que el proceso es anaeróbico. Esto significa que la glucólisis puede abastecer rápidamente de energía química a las células cuando no hay disponibilidad de oxígeno. Sin embargo, cuando este gas está disponible, los “outputs” ácido pirúvico y NADH generados durante la glucólisis don los “inputs” para los otros dos procesos de respiración celular. 8.- Respiración aeróbica: Ciclo de Krebs, transporte de electrones y quimiósmosis La respiración aerobia es la que utiliza oxígeno para extraer energía de la glucosa. Se efectúa en el interior de las células, en los organelos llamados mitocondrias. Durante el proceso respiratorio, parte de la energía contenida en la glucosa pasa a las moléculas de ATP. Con esta energía se alimentan, excretan los desechos, se reproducen y realizan todas las funciones que les permiten vivir. Tanto el dióxido de carbono como el agua salen de la célula y del cuerpo del ser vivo (Si se trata de un organismo pluricelular) por que constituyen sustancias de desecho. La energía puede utilizarse de inmediato o almacenarse para su uso posterior. Las bacterias no tienen mitocondrias, por lo cual la respiración se efectúa en su citoplasma. En el resto de los organismos pertenecientes a los 4 reinos (Protistas, hongos, plantas y animales) si existen estos organelos. Algunas células tienen más mitocondrias que otras; por ejemplo, las neuronas, las células musculares y los espermatozoides requieren de altas cantidades de energía y por ello tienen numerosas mitocondrias.

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Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es llamado así después que Hans Krebs, un bioquímico británico demostró su existencia, en 1937. Durante el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico es descompuesto a dióxido de carbono en una serie de reacciones que extraen energía. Debido a que el ácido de Krebs también se conoce como ciclo del ácido cítrico. Producción de Ácido cítrico. El ciclo de Krebs comienza cuando el ácido pirúvico, producido por la glucólisis, pasa a través de las dos membranas de la mitocondria y llega a la matriz. La matriz es el comportamiento más externo de la mitocondria y es el sitio de las reacciones del ciclo de Krebs. Una vez dentro de la matriz, 1 átomo de carbono del ácido pirúvico llega a ser parte de una molécula de dióxido de carbono, el cual es finalmente liberado al aire. Los otros dos átomos de carbonos del ácido pirúvico se reordenan y forman ácido acético, el cual se une a un compuesto llamado coenzima A. Lo que resulta es una molécula llamada acetil-CoA. (La parte acetil de la acetil-CoA está formada por 2 átomos de carbonos, 1 átomo de oxígeno y 3 átomos de hidrógeno). Al comenzar el ciclo de Krebs, la acetil-CoA añade de su grupo acetilo de 2 carbono a una molécula de 4 carbono, el oxalacetato, ya presente en el ciclo, produciendo una molécula de 6 carbono llamado ácido cítrico o citrato. Extracción de energía. A medida que el ciclo continúa, el ácido cítrico es descompuesto a una molécula de 4 átomos de carbono y el liberado más dióxido de carbono, mientras que los electrones son transferidos a transportadores de electrones de alta energía.

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¿Por qué el ciclo de Krebs es un ciclo? Debido a que la molécula de 4 carbono producida en el último paso es la misma molécula que acepta a la acetil-CoA en el primer paso. La Molécula necesaria para iniciar las reacciones del ciclo es rehecha con cada “vuelta”. Luego, busca el ATP. Por cada vuelta del ciclo, una molécula de ADP es convertida a una molécula de ATP. Recuerda que la glucólisis produce 2 moléculas de ácido pirúvico a partir de una molécula de Glucosa. Así, por cada molécula de glucosa que entra al ciclo da como resultado dos vueltas completas del ciclo de Krebs y, por lo tanto, 2 Moléculas de ATP. Finalmente, observa a los transportadores de electrones, NAD+ y FAD (flavín adenin dinucleótido). En cinco lugares, los transportadores de electrones aceptan un par de electrones de alta energía y el NAD+ cambia a NADH y el FAD a FADH2 FAD Y FADH2 son moléculas similares al NAD+ y NADH, respectivamente. ¿Qué sucede con cada uno de estos productos del Ciclo de Krebs- dióxido de carbono, ATP y transportadores de electrones? El dióxido de carbono no es usado por la célula y es expulsado cada vez que exhalas. Las moléculas de ATP son muy útiles y quedan inmediatamente disponibles para energizar actividades celulares. En cuanto a las moléculas transportadoras de electrones como NADH, en presencia de oxígeno, los electrones que poseen son usados para generar una gran cantidad de ATP.

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Transporte de electrones y quimiósmosis

Algunos productos tanto del ciclo de Krebs como de la glucólisis son usados en el último de la respiración celular: la cadena de transporte de electrones. Recuerda que la glucólisis genera electrones de alta energía que son pasados al NAD+, formando NADH. Estas moléculas de NADH pueden entrar a la mitocondria, donde ellas se suman al NADH y al FADH2 generados por el ciclo de Krebs. Luego los electrones son pasados, desde todos aquellos transportadores de electrones, a la cadena de transporte de electrones. La cadena usa a los electrones de alta energía de la glucólisis y del ciclo de Krebs para convertir ADP a ATP. Los NADH y FADH2 pasan sus electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones. En eucariotas, la cadena de transporte de electrones está compuesta por una serie de transportadores de electrones, localizados en la membrana interna de la mitocondria. En procariotas, la misma cadena está en la membrana celular. Los electrones de alta energía pasan desde un trasportador al 33

siguiente. Al final de la cadena de transporte de electrones hay una enzima que combina a estos electrones con iones hidrógeno y oxígeno, para formar agua. El oxígeno sirve como aceptor final de electrones de la cadena de transporte de electrones. Así, el oxígeno es esencial para deshacer de los electrones de baja energía y de los iones hidrógeno, los cuales son los desechos de la respiración celular. Sin oxígeno, la cadena de transporte de electrones no puede funcionar. Cada vez que 2 electrones de alta energía se mueven a lo largo de la cadena de transporte de electrones, su energía será usada para bombear iones hidrógeno (H+) a través de la membrana. Durante el transporte de electrones, los iones H+ se acumulan en el espacio intermembrana, dejándolo con na carga positiva en relación con la matriz. De manera similar, el lado de la membrana que está en o con la matriz, desde donde se bombearon aquellos iones H+, tiene ahora una carga negativa comparada con el espacio intermembrana. Producción de ATP. ¿Cómo la célula usa la energía potencial de la diferencia de cargas generada como resultado del transporte de electrones? Como en la fotosíntesis, la célula usa un proceso conocido como quimiosmosis para producir ATP. La membrana interna mitocondrial contiene enzimas llamadas ATP sin tasa. La diferencia de cargas existente a ambos lados de la membrana fuerza a los iones H+ a fluir a través de los canales de las ATP sin tasa, provocando que la ATP sin tasa rote. Con cada rotación, la enzima “toma” a una molécula de ADP y la enlaza con un grupo fosfato, produciendo ATP. La belleza de este sistema es la manera mediante la cual se acopla el movimiento de e-, la energía es usada para mover iones H+, desde la matriz hacia el espacio intermembrana, a través de la membrana interna mitocondrial. Estos iones vuelven 34

nuevamente hacia la matriz, usando un canal de la ATP sin tasa (proteína de transmembrana) por donde se mueven con suficiente fuerza para hacer rotar la ATP sin tasa y generar enormes cantidades de ATP. En promedio, cada par de ede alta energía que se mueve a lo largo de toda la cadena de transporte de eprovee la suficiente energía para producir 3 moléculas de ATP.

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9.- Referencias

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