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Módulo común PSU – Contenidos de I y II año medio PRETCH Manuel Mallol Simmonds Coordinador Biología Preuniversitario de Estudiantes Tradicionales de Chile ® 2 0 1 2 P á g i n a | 2 Manuel Mallol Simmonds Prólogo La biología es uno de los componentes de la familia de las ciencias naturales, encargada del estudio de los componentes bióticos y abióticos que son cruciales para el desarrollo de la vida. En este libro se incluyen todos los contenidos exigidos por el MINEDUC (Ministerio de Educación) para los niveles medios I y II, además de contenidos adicionales seleccionados para una mejor comprensión y extrapolación del conocimiento hacia diferentes áreas. Además, cada capítulo posee doce ejercicios desarrollados para ejercitar las cinco habilidades cognitivas que el alumno debe dominar para rendir satisfactoriamente la Prueba de Selección Universitaria (PSU): Reconocimiento, Comprensión, Análisis, Síntesis y Evaluación. Espero que disfrutes leyendo este libro tanto como se disfrutó en su escritura y desarrollo. Manuel Mallol Simmonds Estudiante de medicina Universidad de Santiago de Chile (USACH) Todos los derechos de autor reservados 3 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Bibliografía Este libro ha sido elaborado con el conocimiento adquirido en los años de experiencia docente y universitaria en Medicina. Todas las consultas en diferentes tópicos fueron realizadas desde los siguientes libros utilizados en ramos universitarios - Alberts B, “Biología Molecular de la Célula” IV edición. - Lehninger, “Principios de Bioquímica” V edición - Guyton, “Fisiología médica”, XI edición La PSU de ciencias con electivo biología ▪ Datos específicos La Prueba de Selección Universitaria (PSU) de Ciencias es una de las dos pruebas electivas que el postulante debe rendir en el proceso de admisión oficial a la educación superior (el postulante debe rendir al menos una de las pruebas electivas). Esta PSU difiere de Lenguaje, Matemática e Historia en que abarca tres doctrinas diferentes: Biología, Física y Química. En base a lo anterior existen tres modalidades de la PSU de ciencias, a saber: - PSU de ciencias – Biología - PSU de ciencias – Química - PSU de ciencias – Física La prueba está constituida de 80 preguntas de selección múltiple, distribuidas de la siguiente manera: - 18 preguntas de módulo común física - 18 preguntas de módulo común química - 18 preguntas de módulo común biología - 26 preguntas de módulo electivo En las preguntas del tipo módulo común (MC) se evalúan los contenidos de física, química y biología desde Primero medio a Segundo medio. Las dieciocho preguntas de MC en cada una de las doctrinas evaluadas son obligatorias para cualquier postulante que rinda la PSU de ciencias. Las veintiséis preguntas abarcadas por el módulo electivo (ME) son conocimientos entregados desde Primero medio a Cuarto medio respecto a la doctrina elegida por el postulante (p. ej: Si el postulante eligió dar la PSU de ciencias con biología electivo, las veintiséis preguntas del ME serán de biología entre Primero y Cuarto medio). Los indicadores de las preguntas en la PSU de ciencias se acompañan, además del número de la pregunta, con el indicador MC o ME, aclarando si la pregunta pertenece al módulo electivo o común. Dependiendo de la elección del postulante, el MC y ME de una doctrina se mezclaran, por lo que las preguntas serán entregadas aleatoriamente (p. ej: 1. MC, 2. MC, 3. ME, 4. MC…). Importancia de la PSU de ciencias Si bien la PSU de ciencias no es obligatoria, es un importante determinante de las aptitudes específicas del postulante hacia la educación superior. Rendir esta PSU es la única P á g i n a | 4 Manuel Mallol Simmonds manera de probar la base de conocimientos en un área en particular, en muchos casos relacionada con las preferencias de postulación a carreras. Las carreras científicas tanto en universidades pertenecientes al Concejo de Rectores como en universidades privadas consideran en su ponderación la PSU de ciencias (tomando en cuenta que las primeras consideran más el puntaje de esta prueba que las segundas). Finalmente, la constitución triple de esta prueba otorga al postulante que decida prepararla una base sobre tres doctrinas íntimamente relacionadas con el cuestionamiento del por qué la vida es como la conocemos. Tabla de especificaciones DEMRE (última disponible 2009) Áreas/Ejes Temáticos Cantidad de Ítemes por Módulo Total de Ítemes por Área/Eje Módulo Común Módulo Electivo Organización, estructura y actividad celular. 4 5 9 Procesos y funciones vitales. 6 9 15 Biología humana y salud. 3 4 7 Variabilidad, herencia y evolución. 2 5 7 Organismo y ambiente. 3 3 6 Total 18 26 44 El total de ítemes por cada Área Temática es sólo referencial. 5 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds SECCION I: LA CELULA Capítulo I – El agua y los iones…………………………… 8 El agua……………………………….…………………………… 9 Los iones…………………………………………………….... 11 Capítulo II – Las biomoléculas…………………………… 17 Los carbohidratos……………………………………………… 18 Las proteínas………………………………………………….. 21 Los lípidos………………………………………………….. 25 Los ácidos nucleicos………………………………………… 29 Capítulo III – Las enzimas………………………………… 38 Capítulo IV – Microscopía y generalidades celulares… 48 Historia y teoría celular………………………………………… 49 Microscopía…………………………………………………. 52 Las células procariotas………………………………………… 54 Las células eucariotas…………………………………………. 56 Formas de vida celular………………………………………… 62 Capítulo V – La membrana plasmática………………… 67 Composición y estructura……………………………………… 68 Transportes a través de la membrana…………………………. 70 Diferencias entre membranas plasmáticas…………………… 79 Capítulo VI – Catabolismo celular eucariota…………… 85 Generalidades y estructura mitocondrial……………………….. 86 La glucólisis……………………………….………………… 88 La acetilación de la Coenzima A……………………………….. 88 Ciclo de Krebs……………………………….……………… 89 Fosforilación oxidativa…………………………………………. 90 Capítulo VII – Catabolismo celular procariota y anabolismo 96 Rutas de catabolismo alternativo………………………………. 97 Fermentación………………………………………………….. 98 Anabolismo y estructura cloroplastídea………………………… 99 Fotosintesis dependiente de la luz…………………………… 104 Fotosintesis independiente de la luz…………………………… 105 Capítulo VIII – Ciclo celular…………………………… 111 Diferentes estados del DNA nuclear…………………………… 112 Ciclo celular mitótico………………………………………… 117 Origen del cáncer y control del ciclo celular……………………. 120 Apoptosis……………………………………………………. 121 P á g i n a | 6 Manuel Mallol Simmonds Ciclo celular meiótico………………………………………….. 124 SECCION II: FISIOLOGIA HUMANA 1 Capítulo IX – Nutrición y dietética……………………… 131 Los alimentos y sus nutrientes…………………………………. 133 Las vitaminas………………………………………………….. 138 Tasa Metabólica Basal e Indice de Masa Corporal…………… 139 Enfermedades nutricionales…………………………………… 142 Anexo I – Organización tisular…………………………… 149 Capítulo X – Aparato digestivo…………………………… 156 Generalidades anatómicas…………………………………… 157 La digestión mecánica………………………………………… 164 La digestión enzimática (química) …………………………… 166 Absorción de nutrientes y sustancias………………………… 168 Enfermedades del aparato digestivo……………………………170 Capítulo XI – Sistema cardiovascular………………… 177 La sangre…………………………………………………… 178 El sistema vascular…………………………………………… 183 El sistema cardiaco…………………………………………… 186 Adaptaciones del sistema cardiovascular……………………… 190 El sistema linfático…………………………………………… 192 Enfermedades del sistema cardiovascular…………………… 193 Capítulo XII – Aparato respiratorio…………………… 200 Generalidades anatómicas…………………………………… 201 Dinámica respiratoria en vertebrados superiores……………… 205 Intercambio y transporte de gases: Hematosis……………… 206 Adaptaciones a condiciones de bajo oxígeno………………… 210 La respiración en otros organismos………………………… 211 Enfermedades del aparato respiratorio………………………… 213 Capítulo XIII – La excreción……………………………… 220 Generaldades del aparato nefrourinario……………………… 221 La piel y los pulmones como órganos excretores……………… 224 El aparato digestivo como órgano excretor…………………… 225 Capítulo XIV – Sistema endocrino…………………… 229 Concepto de hormona………………………………………… 230 Hipotálamo e hipófisis………………………………………… 233 La tiroides…………………………………………………… 235 Glándulas suprarrenales……………………………………… 237 7 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El páncreas endocrino………………………………………… 238 Las gónadas………………………………………………… 240 Otras glándulas endocrinas…………………………………… 242 Fitohormonas………………………………………………… 243 SECCION III: REPRODUCCIÓN Y DESARROLLO Capítulo XV – La reproducción………………………… 247 Reproducción sexual y asexual en organismos simples……… 248 Reproducción sexual en unicelulares, animales y plantas……… 250 Reproducción humana………………………………………… 252 El ciclo menstrual……………………………………………… 257 Enfermedades de transmisión sexual………………………… 261 Capítulo XVI – Gametogénesis y fecundación……… 271 Ovogénesis…………………………………………………… 272 Espermatogénesis…………………………………………… 273 El viaje de los gametos………………………………………… 276 La fecundación………………………………………………… 278 Apéndice: Los métodos anticonceptivos……………………… 281 Capítulo XVII – Desarrollo y crecimiento…………… 290 Desarrollo embrionario………………………………………… 291 Desarrollo fetal……………………………………………… 294 Anexos embrionarios………………………………………… 295 Parto, lactancia y crecimiento neonatal………………………… 299 Infancia y niñez……………………………………………… 301 Pubertad……………………………………………………… 302 SECCION IV: GENETICA Capítulo XVIII – Variabilidad intraespecie…………… 309 ¿Qué es la variabilidad? ……………………………………… 310 Generadores de variabilidad…………………………………… 310 Manifestaciones de variabilidad intraespecie…………………… 312 Frecuencia de alelos en una población………………………… 313 Capítulo XIX – Genética y herencia……………………… 317 Generalidades de la genética………………………………… 318 Herencia mendeliana………………………………………… 318 Herencia intermedia…………………………………………… 324 Codominancia………………………………………………… 325 P á g i n a | 8 Manuel Mallol Simmonds Herencia ligada al sexo……………………………………… 327 Pedigrís……………………………………………………… 327 Apendice: Mutaciones y enfermedades genéticas……………… 331 Las mutaciones……………………………………………… 331 Enfermedades genéticas……………………………………… 333 SECCION V: ECOLOGIA Y MEDIOAMBIENTE Capítulo XX – Ecología…………………………………… 342 Método científico……………………………………………… 343 La biósfera…………………………………………………… 344 Flujos de energía……………………………………………… 344 Ciclos biogeoquímicos………………………………………… 349 La lluvia ácida y el efecto invernadero………………………… 353 9 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io C p . I - E l A g u a y l o s io n e s El agua es una molécula ampliamente estudiada bajo los prismas de diferentes ciencias naturales. En la biología, el agua permite la existencia y desarrollo de la vida tal y como la conocemos, siendo una molécula imprescindible en el estudio de la misma. Por otra parte, los iones son importantes elementos que aportan la dinámica necesaria a muchos procesos fisiológicos que ocurren a cada segundo en la vida de un individuo. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 10 Manuel Mallol Simmonds Capítulo I – El agua y los iones Para comprender de manera correcta los temas que se presentarán a lo largo del desarrollo del curso de biología, debemos hacer hincapié en las moléculas que componen a todos los seres vivos. Dichas moléculas son conocidas en el mundo biológico como biomoléculas, las cuales son, generalmente, grandes polímeros (molécula compuesta de muchas unidades fundamentales) compuestos en base a aminoácidos, nucleótidos, monosacáridos, etc. El agua y los iones son puntos importantes a tratar en este capítulo. Su organización, procesamiento y distribución en diferentes localizaciones celulares confiere y determina la morfofisiología celular tal y como la conocemos hoy en día. La organización de la materia en los sistemas biológicos tiene características especiales, como la presencia de niveles de organización microcomplejos (biomoléculas) hasta sistemas macrocomplejos (organismos y ecosistemas). 11 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El agua ▪ Características físicoquímicas El agua es una molécula compuesta en base a hidrogeno y oxigeno, unidos por enlaces covalentes en la proporción 2:1 respectivamente, teniendo como formula química H2O. Posee una geometría angular, teniendo 104,5° entre cada átomo de hidrógeno. La distribución especial de los átomos en esta molécula forma polos eléctricos, siendo negativo el polo del oxígeno y positivo el lado de los hidrógenos. Molécula de agua (δ = Carga) El agua posee un alto calor específico, el que se define como la cantidad de energía (cal) que requiere un gramo de sustancia para elevar su temperatura en un grado celsius (°C). Esto otorga los privilegios necesarios al agua de ser el componente principal de las células (65- 70% de su peso) puesto que no varía mucho su temperatura con pequeños cambios calóricos y tiene un alto punto de ebullición (en contraste con otros solventes como el etanol y soluciones oleosas). Otras características que presenta el agua son: Alta tensión superficial Solvatación (o hidratación) Disolvente biológico por excelencia Medio de reacciones bioquímicas ▪ Aplicaciones biológicas del agua El agua, como se mencionó antes, es el principal componente líquido de las células, y por consiguiente, de los seres vivos. Aproximadamente un 70% del peso neto de un organismo corresponde a agua en estado líquido. Esto es por su estabilidad ante oscilaciones de temperatura y por su extraordinaria capacidad de rodear otras moléculas cargadas (solvatar), permitiéndoles fluir, moverse y reaccionar con otras. P á g i n a | 12 Manuel Mallol Simmonds Es muy improbable encontrar agua en estado puro (agua libre) dentro de sistemas biológicos; casi siempre se encuentra actuando como disolvente ya sea para iones (véase más adelante), sales u otras biomoléculas. También es importante destacar el rol lubricante del agua en superficies corporales como las articulaciones, mucosas, etc. El gran uso del agua por los sistemas vivos se vereflejada en el desarrollo de un organismo (ontogenia). Todos los organismos tienen su desarrollo, desde la fecundación hasta el nacimiento, rodeados de agua (clara de huevo, líquido amniótico, etc). Se sabe que el origen de las primeras moléculas surgió en agua (formación de las primeras micelas; vesículas rodeadas de lípidos con agua en su interior). Esos antecedentes pueden explicar de cierta manera el porcentaje de agua presente en las células, además de sus propiedades ya mencionadas. Curiosidades… Iones Antiguamente se pensaba que el constituyente mínimo de toda la materia correspondía al átomo. Hoy por hoy se sabe que átomos están compuestos por partículas subatómicas (electrones, protones y neutrones) y estos a su vez en partículas más pequeñas (quarks). Los electrones y protones poseen carga eléctrica, respectivamente negativa y positiva. En un átomo en estado normal, como el Carbono (C), la suma de electrones y protones da siempre una carga neta igual a 0 C (Coulombs). Sin embargo, con mucha frecuencia es posible encontrar átomos cuya suma de cargas no siempre resulta 0 C, proporcionando átomos con carga positiva o negativa. Estos átomos cargados son llamados iones (átomos que han perdido o ganado electrones). ¿Sabías que con el agua de todas las personas de un Estadio Nacional lleno (aprox. 60.000 personas) podríamos llenar una piscina olímpica? 13 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Distribución de iones comunes en el líquido intracelular y extracelular. El tamaño del símbolo químico es proporcional a su concentración. Existen iones con carga positiva (cationes) y con carga negativa (aniones). En la célula la suma de determinadas concentraciones de aniones y cationes da como resultado potenciales eléctricos (medidos en mV; milivolt). Nombre Tabla periódica Tipo de ion Rol general Sodio Na Catión (Na + ; ion sodio) Despolarización / Transporte activo secundario / Equilibrio hidrosalino Hidrógeno H Catión (H + ; protón) Gradiente electroquímico / cotransporte Potasio K Catión (K + ; ion potasio) Repolarización / Cotransporte Cloro Cl Anión (Cl - ; cloruro) Cotransporte / Hiperpolarizador Calcio Ca Catión (Ca 2+ ; ion calcio) Contracción muscular / mensajero intracelular / Exocitosis / Huesos y dientes / Hemostasis Magnesio Mg Catión (Mg 2+ ; ion magnesio) Componente de la clorofila. Estabilizador intracelular de biomoléculas como DNA y ATP Fósforo P Anión (PO 4- ; grupo fosfato) Constituyente de ácidos nucleicos / moléculas energéticas / Señalizaciones Bicarbonato // Anión (HCO3 - ; ion bicarbonato) Buffer (aumento del pH) P á g i n a | 14 Manuel Mallol Simmonds Existen también elementos inorgánicos, como sales de calcio y fosforo (entre otras), que tienen una gran importancia en órganos como los huesos. Además, las sales minerales de distintos componentes (NaCl, KCl, etc) al disolverse en agua, liberan iones utilizados por las células (principio de solvatación). Las sales se encuentran de manera natural en las aguas de río, principalmente obtenidas por el contacto y roce con arena, tierra y/o rocas. El exceso de sales minerales en el organismo, esencialmente de calcio y fosfato puede ocasionar la aparición de “piedras” en órganos como los riñones y la vesícula biliar, patologías llamadas respectivamente nefrolitiasis ó cálculos renales y colelitiasis o cálculos vesiculares. Por otra parte, hay que señalar que existen elementos que muchas veces se encuentran unidos a otras moléculas, como los que se señalan a continuación: Nombre Símbolo Rol principal Carbono C Esqueleto de biomoléculas Nitrógeno N Componente de ácidos nucleicos y proteínas. Oxígeno O Componente del agua, grupos COOH y grupos fosfato. Azufre S Componente de aminoácidos sulfurados (puentes disulfuro) Oligoelementos (trazas) Variados Aporte de cofactores, estabilizadores, etc (Zinc, selenio, etc). ¿Qué proporción de elementos existe en el organismo? Del 30% restante de masa corporal (recordar que el 70% es agua), la proporción de elementos es la siguiente: 15 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC Un investigador desea estudiar la cantidad de agua libre que existe en el medio intracelular. A su sorpresa, al concluir el estudio no pudo obtener agua pura en ningún compartimento intracelular. ¿A que puede deberse dicho fenómeno? a) La cantidad de células que analizó fue insuficiente, porque existen tipos de células que poseen agua libre. b) Era lo que debía esperarse, puesto que el agua en las células siempre está actuando como disolvente de biomoléculas y elementos. c) Era lo que debía esperarse, puesto que el agua libre solo existe en células procariotas d) Es imposible determinar el por qué de la sorpresa de las conclusiones e) Ninguna de las anteriores La respuesta correcta en este caso es la alternativa b). La alternativa a) no es correcta, debido a que no existen tipos de células que posean agua pura. La alternativa b) dice algo que es correcto y que el investigador no consideró en un comienzo. La alternativa c) no es correcta, debido a que las células procariotas poseen agua actuando como disolvente de iones y biomoléculas, al igual que las células eucariotas. La alternativa d) no es certera, y la información que brinda el encabezado es suficiente para saber donde estuvo el error. Tip PSU Es improbable que haya más de una pregunta sobre agua e iones en la PSU. Lo que si te vas a encontrar es que las demás preguntas dan por sabido todos los conceptos relacionados con el capítulo, por lo que estos dos puntos analizados deben ser estudiados a cabalidad, esencialmente para comprender lo que continuará en los siguientes capítulos. Ejercicios Capítulo I “El agua y los iones” 1. El agua presenta propiedades que la convierten en la molécula esencial de la vida. ¿Cuál de las siguientes NO es característica del agua? a) Su molécula es polar b) Tiene bajo calor especifico c) Sus moléculas pueden formar enlaces de hidrogeno entre sí d) Presenta pH neutro e) Puede flotar en estado solido 2. El agua tiene un alto calor específico. Se define calor especifico como: I. La cantidad de calor que se necesita para subir en 1ºC la temperatura de 1gr o 1cc de sustancia II. La cantidad de calor necesario para subir en 1ºC la temperatura de 1gr o 1cc de agua III. La cantidad de calor que se necesita para subir en 1ºC la temperatura de 1gr o 1ml de sustancia. P á g i n a | 16 Manuel Mallol Simmonds a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y III e) Solo II y III 3. El proceso para obtener un ion a partir de un átomo consiste en: a) Ganancia o pérdida de electrones b) Ganancia o pérdida de protones c) Ganancia o pérdida de neutrones d) Fusión nuclear entre átomos de baja masa e) Ninguna de las anteriores 4. Son propiedades de relevancia biológica del agua: I. Ser humectante y lubricadora II. Entre 0 y 4 ºC su volumen disminuye y su densidad aumenta III. Posee gran cohesión entre sus átomos IV. Está formada por dos moléculas de hidrogeno y una de oxigeno V. Puede formar puentes de hidrogeno con otras moléculas de agua a) Solo I y III b) Solo I, II y III c) Solo III y IV d) Solo III y V e) Solo I y V 5. ¿Cuál de los siguientes elementos está presente tanto en huesos como en los dientes? a) Fosforo b) Potasio c) Calcio d) Sodio e) Azufre 6. Indique cual de las siguientes afirmaciones es FALSA: I. El potasio es el principal catión del interior de las células II. El nitrógeno es componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos III. Calcio: importante en la contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos y coagulación de la sangre. IV. El Na + es elprincipal catión del líquido intersticial (tisular) y es importante en el equilibrio hidrosalino del cuerpo. a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo IV e) Ninguna de las anteriores 1 2 3 4 5 6 B D A E C E 17 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El agua es una molécula ampliamente estudiada bajo los prismas de diferentes ciencias naturales. En la biología, el agua permite la existencia y desarrollo de la vida tal y como la conocemos, siendo una molécula imprescindible en el estudio de la misma. Por otra parte, los iones son importantes elementos que aportan la dinámica necesaria a muchos procesos fisiológicos que ocurren a cada segundo en la vida de un individuo C p . I I – L a s b io m o lé cu la s M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io [Escriba una cita del documento o del resumen de un punto interesante. Puede situar el cuadro de texto en cualquier lugar del documento. Utilice la ficha Herramientas de cuadro de texto para cambiar el formato del cuadro de texto de la cita.] Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl Los carbohidratos Los lípidos Las proteínas Los ácidos nucleicos http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 18 Manuel Mallol Simmonds Capítulo II – Las biomoléculas En el capítulo anterior se describieron las propiedades de relevancia biológica del agua y de los iones, dos importantes conceptos esenciales para la comprensión de la biología. En este capítulo nos adentraremos en las propiedades estructurales, dinámicas y funcionales de los lípidos, carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas. Los carbohidratos Los glúcidos o carbohidratos son moléculas poliméricas formadas por uno o varios monosacáridos, unidos a través de un enlace covalente llamado enlace glucosídico. Sus diferentes funciones en la biología oscilan desde aspectos energéticos, estructurales e identificadores hasta codificadores de información. ▪ Los monosacáridos nota Como se mencionó, los constituyentes monoméricos de los carbohidratos corresponden a los monosacáridos. Estos son moléculas compuestas por Carbono, Hidrogeno y Oxigeno en la proporción Cn(H2O)n. Existen dos grandes familias: una conjugadas a un grupo aldehído y otra a un grupo cetona. Dentro de esta división, son clasificados según el número de átomos de carbono que contengan. Para la PSU las que ganan importancia corresponden a: o Triosas: Son poco conocidas. Los únicos componentes de esta familia corresponden al gliceraldehido y la dihidroxicetona. Generalmente se encuentran en forma de metabolitos o intermediarios. o Pentosas: Sus exponentes comúnmente citados son la ribosa y la 2-desoxirribosa, ambas aldopentosas. Forman parte de los nucleótidos del RNA, DNA y energéticos (como el ATP). o Hexosas: Son las más conocidas. En ellas podemos citar a la galactosa, la fructosa y a la glucosa. La glucosa existe en dos estados conformacionales: α-glucosa y β-glucosa. La α -glucosa es el combustible energético de casi todos los seres vivos. Se encuentra en forma polimérica en el almidón y el glucógeno. Forma parte de la sacarosa y de la lactosa. La β -glucosa es constituyente de algunos disacáridos y del polímero estructural celulosa, presente en células eucariontes vegetales. También es combustible energético de isópteros (termitas), gracias a que poseen un protozoo simbionte en su intestino (Trichonympha sp.) capaz Monosacaridos Triosas (3C) Pentosas (5C) Hexosas (6C) 19 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds de producir celulasa, enzima que puede digerir la celulosa. En general los demás seres vivos no poseen dicha enzima, por lo que no pueden utilizar la celulosa como fuente de energía. Comparación entre la α – glucosa y la β-glucosa. La primera posee el grupo OH del carbono 1 bajo el eje, mientras que la segunda lo posee arriba ▪ Los disacáridos nota Los disacáridos son el producto de la unión entre dos monosacáridos, sean iguales o diferentes, a través de un enlace O-glucosídico. La formación de los disacáridos tiene lugar a través de condensación, formando H2O De igual manera que la síntesis de disacáridos, su lisis es llevada a cabo por hidrólisis (añadir agua), proceso realizado por enzimas especificas para dicho disacárido. Los disacáridos de interés para la PSU son: o Lactosa: Disacárido formado por galactosa y glucosa. Presente en la leche. o Sacarosa: Disacárido formado por glucosa y fructosa. Corresponde al azúcar de mesa. o Maltosa: Disacárido formado por glucosa y glucosa. Es el producto de la actividad de la a-amilasa salival, intestinal y pancreática sobre el almidón. Lactosa, un disacárido. Se aprecian sus unidades fundamentales: Galactosa y glucosa ▪ Los polisacáridos nota Los polisacáridos son polímeros de monosacáridos, sean estos homogéneos (iguales) o heterogéneos (mezclas). Son la forma más común de encontrar glúcidos en la naturaleza (madera, algodón, cereales, tubérculos, etc), y generalmente actúan como reservas de energía o como soporte estructural. Los polisacáridos de interés para la PSU son: Figura 8. Tres diferentes disacáridos (Lactosa, Sucralosa P á g i n a | 20 Manuel Mallol Simmonds o Almidón: Polisacárido de α-glucosa. Está formado por cadenas lineales de α-glucosa llamadas amilosas y por cadenas ramificadas de α-glucosa llamadas amilopectinas. Su biosíntesis es llevada a cabo por los organismos productores (plantas), actuando como reserva de α-glucosa. o Glucógeno: Polisacárido ramificado de α-glucosa. Está formado por cadenas lineales de α -glucosa enlazadas unas con otras. Es más compacto que el almidón y es la principal forma de reserva de α-glucosa en las células eucariontes animales. Su depósito principal en los animales es el hígado, y luego el musculo estriado. (Izquierda) Gránulos de almidón en célula vegetal, vistos por microscopía electrónica de transmisión (MET). (Derecha) Gránulos de glucógeno en hepatocito (célula del hígado) a través de MET. Se aprecia la diferencia de tamaño de los gránulos. o Celulosa: Polisacárido estructural formado por cadenas entrecruzadas lineales de β- glucosa. Presente en las células eucariontes vegetales y la pared celular de algunos hongos. o Peptidoglicáno: Polisacárido estructural propio de bacterias formado por unidades repetidas de un disacárido especial, entrelazadas por cadenas cortas de aminoácidos. o Quitina: Polisacárido estructural presente en el exoesqueleto de muchos artrópodos. Está formada por unidades repetidas de N-acetilglicosamina. 21 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Interacción y organización de la celulosa en la pared celular. La interacción entre cadenas de celulosa es del tipo puente de hidrógeno. Las proteínas Conocidas también como polipéptidos o polímeros de aminoácidos, las proteínas son importantes biomoléculas celulares compuestas de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxígeno y Azufre. Pueden llegar a tener enorme número de roles dentro de la dinámica celular. Comenzaremos el análisis de las proteínas por sus constituyentes monoméricos: los aminoácidos. ▪ Los aminoácidos Los aminoácidos son los las unidades monoméricas de las proteínas. En la naturaleza proteica existen veinte, de los cuales diez (Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalalina, Treonina, Triptófano, Valina, Tirosina* e Histidina) no son sintetizados por el organismo humano (y otros organismos) siendo necesaria su ingesta en la dieta (aminoácidos esenciales) Existen aminoácidos raros que no forman parte de las proteínas, pero son importantes intermediarios.Dos buenos ejemplos corresponden a la citrulina y la ornitina, dos aminoácidos presentes en el ciclo de la urea. Químicamente consisten en un carbono quiral (que posee cuatro sustituyentes diferentes) siendo tres de ellos altamente conservados entre los veinte aminoácidos. Estos sustituyentes corresponden a: Un átomo de hidrógeno (H) Un grupo amino (NH2) Un grupo carboxilo (COOH) Un radical [R] (el que otorga la identidad a cada aminoácido) P á g i n a | 22 Manuel Mallol Simmonds Estructura básica de un aminoácido único en solución acuosa. Los grupos NH2 y COOH se muestran cargados por consecuencia de no estar unido a un polipéptido y estar disuelto en agua. Dentro de los aminoácidos, podemos distinguir diferentes familias: o Cargados (hidrofílicos) o Apolares (hidrofóbicos) La anterior clasificación cobra importancia en el hecho que las diferentes combinaciones de aminoácidos contribuyen a una conformación tridimensional propia (véase más adelante); cada proteína tiene su propia combinación. ▪ Estructuras proteicas Las proteínas tienen la complejidad de poseer varias estructuras conformacionales, en relación al estado de síntesis en el que éstas se encuentran. Es conveniente señalar (aunque se verá en capítulos posteriores) que la síntesis de las proteínas se lleva a cabo en tres diferentes complejos celulares: los ribosomas, el Reticulo Endoplasmático (o ergastoplasma) Rugoso y el Aparato de Golgi. Las proteínas poseen cuatro estructuras, conforme a su grado de maduración (en estricta relación con su función futura): a. Estructura lineal (Primaria) b. Estructura Secundaria Helice alfa Hoja beta (pliegues) c. Estructura globular (terciaria) d. Estructura heterogenia (cuaternaria) 23 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Estructuras proteicas. La estructura lineal es la estructura que se obtiene apenas la cadena de aminoácidos ha sido producida en el ribosoma. En ese periodo la cadena es muy joven y no ha sufrido las modificaciones necesarias para ejercer su efecto definitivo. Las hormonas peptídicas (cuyo número de aminoácidos no supera los diez en general) son una gran excepción a esta regla. Para obtener la estructura lineal es necesario unir varios aminoácidos estrictamente seleccionados. Esta unión entre aminoácidos se conoce como enlace peptídico, y se forma de manera semejante al enlace O-glucosídico: por condensación. La estructura secundaria se obtiene cuando los aminoácidos de la cadena lineal comienzan a interaccionar unos con otros (p. ej. Aminoácidos positivos y negativos tienden a atraerse, y si están muy separados la cadena lineal tenderá a plegarse). La fuerza presente en dicha estructura corresponde a los puentes de hidrogeno. Dependiendo de esta interacción se pueden formar dos estructuras: Una hélice, α-hélice, o una estructura “quiebrada” o plegada, conocida como hoja beta o β-plegada. En un mismo polipéptido pueden coexistir ambas estructuras. La estructura terciaria aparece cuando la proteína ya ha sido modificada en el RER y ya cursa su modificación final en el aparato de Golgi. Los aminoácidos que poseen radicales sulfurados (cisteína) forman enlaces del tipo puentes disulfuros (cisteína-cisteína). La posición de P á g i n a | 24 Manuel Mallol Simmonds dichos aminoácidos está determinada genéticamente para lograr establecer una estructura funcional acorde a la proteína. Una vez que se forman estos puentes, la proteína puede ejercer una función. La estructura cuaternaria no está presente en todas las proteínas. Consiste en la interacción covalente entre dos o más cadenas peptídicas diferentes en estructura terciaria (en general tienden a ser grandes proteínas). El exponente más conocido de esta estructura es la hemoglobina, la cual será estudiada en la guía dedicada al aparato respiratorio. En resumen, las estructuras proteicas poseen las siguientes características: Estructura Característica Enlace responsable Ejemplo Primaria Estructura lineal Enlace peptídico LH, FSH, GH. Secundaria α-Hélice; β- Plegada Puentes de hidrógeno Segmentos en diferentes proteínas. Terciaria Estructura globular potencialmente funcional Puente disulfuro RNA polimerasa II Cuaternaria Interacción entre diferentes péptidos grandes Covalente entre proteínas diferentes Hemoglobina ▪ Función de las proteínas Ya se dijo al comienzo de este tópico que las proteínas poseen muchas funciones, dependiendo de la estructura primaria que se les haya conferido. Dentro de esas funciones las de mayor importancia para la PSU son: o Enzimas o Canales iónicos o Proteínas de adhesión celular o Proteínas de señalización intracelular o Receptores celulares o Pigmentos o Soportes tisulares (colágeno) o Hormonas o Soporte celular (citoesqueleto) o Inmunidad (anticuerpos) o Contracción muscular o Coagulación sanguínea o Transporte de O2/CO2 Las funciones antes mencionadas irán apareciendo en el análisis de diferentes tópicos, en los que se aplicará su función al contexto del sistema/aparato o dinámica respectiva. 25 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Los lípidos Los lípidos son otra de las biomoléculas de importancia para la vida celular. Están formados casi en su totalidad por Carbono e Hidrógeno, con cantidades mínimas de Oxígeno. Son comúnmente llamados grasas, dado su comportamiento aceitoso a nivel macroscópico. A nivel general, sus funciones son: o Aislantes termomecánicos o Reservas de alta energía Al contrario de las demás biomoléculas, los lípidos no forman parte de la familia de los polímeros, sino que sólo son grandes moléculas que pueden ser divididas en cierto número de unidades fundamentales. En la célula es posible encontrarlos de diferentes maneras, con diferentes funciones. Antes de comenzar su análisis, es conveniente hacer hincapié en un grupo de moléculas especiales íntimamente ligadas a ellos: los ácidos grasos. ▪ Los ácidos grasos Es cierto que los lípidos no son polímeros, por lo que decir que los lípidos están formados por muchas unidades de ácidos grasos estaría totalmente errado. Sin embargo, es correcto decir que la mayoría de los lípidos poseen ácidos grasos (hasta un número máximo de 3). Los ácidos grasos son largas cadenas hidrocarbonadas (de 4 a 36 átomos de carbono) unidas a un grupo carboxilo, el cual les confiere un carácter ácido. No poseen carga eléctrica, por lo que son altamente hidrofóbicos (en solución acuosa tienden a formar micelas; nunca forman solución en agua). Según la cantidad de enlaces dobles que posean, se clasifican en ácidos grasos saturados (que no poseen enlaces dobles; los átomos de carbono se encuentran saturados de hidrogeno) y en ácidos grasos insaturados (que poseen, al menos, un enlace doble en la cadena hidrocarbonada). (a) Acido graso saturado, se aprecia su forma recta. (b). Acido graso monoinsaturado, se aprecia su “quiebre”. Los ácidos grasos poliinsaturados (con muchos enlaces dobles) interaccionan mejor con el agua que los ácidos grasos saturados, lo que los cataloga como menos perjudiciales a la salud, debido a su mayor facilidad de metabolización y/o eliminación. P á g i n a | 26 Manuel Mallol Simmonds Existen ácidos grasos que no pueden ser sintetizados por el organismo, los llamados ácidos grasos esenciales (ácido araquidónico, acido linoléico y ácido linolénico, entre otros). Dichos ácidos grasos serán comentados con mayor detalle en el capítulo de nutrición. ▪ Los triglicéridos Una de las formas más comunes de encontrar ácidos grasos es en forma de triacilgliceroles, más conocidos como triglicéridos. Las acumulaciones de triglicéridos en los alimentos son llamadas por la gente común como “grasa”. Los triglicéridos consisten en tres moléculasde ácidos grasos unidos a un alcohol de tres carbonos llamado glicerol. (Arriba) Molécula de glicerol. (Centro) Expresión tridimensional de un triglicérido mixto. (Abajo) Expresión molecular de un triglicérido mixto (el acido graso central es poliinsaturado). Los triglicéridos son almacenados en forma de gota lipídica en unas células especializadas llamadas adipocitos, formadoras del tejido adiposo. Ante estímulos endocrinos (hormona leptina), los triglicéridos pueden ser degradados y liberar sus ácidos grasos (p. ej. En el caso de una hambruna prolongada). 27 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Microfotografía electrónica de transmisión sobre el tejido adiposo unilocular. Se aprecian cuatro fragmentos de cuatro adipocitos. En el de la esquina inferior derecha es posible apreciar el núcleo apretado contra la periferia a causa de la gota lipídica (marcada con un asterisco). 16.000x El tejido adiposo se conoce como reserva de energía debido a que los ácidos grasos pueden ser metabolizados a energía celular, proceso detallado en capítulos ulteriores. ▪ Los fosfolípidos Los fosfolípidos son la familia de lípidos responsable de la estructuración y dinámica de la membrana plasmática de las células. Posee una conformación molecular que le permite tener un extremo con carga eléctrica (hidrofílico) y otro apolar (hidrofóbico), convirtiéndolo en una molécula anfipática. El extremo apolar generalmente está formado por dos ácidos grasos, uno saturado y otro insaturado (generalmente) El extremo polar está formado por un grupo fosfato conjugado a un radical, de ahí las cuatro variedades de fosfolípidos. No las detallaremos, porque no son importantes para la PSU. Ambos extremos están conectados a través de enlaces ester a una molécula de glicerol, muy parecido al caso de un triacilglicerol. * P á g i n a | 28 Manuel Mallol Simmonds Estructura molecular y tridimensional de la fosfatidilcolina, un fosfolípido. Se aprecia la diferencia entre el acido graso saturado e insaturado, común entre los fosfolípidos. Las membranas plasmáticas están formadas por una bicapa lipídica de fosfolípidos principalmente, con proteínas incrustadas en ella. El interior de la bicapa está formado por los extremos hidrofóbicos de los fosfolípidos (los ácidos grasos) y las caras externa e interna por los grupos polares de los mismos. Además de participar en la conformación de la membrana plasmática, muchos fosfolípidos participan en la vía de transmisión intracelular de señales externas. ▪ Los esfingolípidos Otra gran familia de lípidos formadores de membrana plasmática son los esfingolípidos. Estos lípidos poseen un amino-alcohol de cadena larga llamado esfingosina. Su organización molecular consiste en: esfingosina, uno o dos ácidos grasos y un radical variable unidos a una molécula de glicerol. Exponentes de esta familia son la esfingomielina y la ceramida. La función de este tipo de lípidos se ve marcada en las neuronas (células del tejido nervioso), en donde actúan principalmente como receptoras de señales extracelulares, activando la cascada de eventos que comunica la señal con el interior de la célula. ▪ Los esteroles La familia de los esteroles difiere molecularmente de las otras familias de lípidos debido a que no posee ni glicerol ni ácidos grasos en su estructura. En su lugar posee una estructura de cuatro anillos hidrocarbonados fusionados, a partir del cual se derivan todas las moléculas pertenecientes a esta familia, entre las que se destacan las hormonas lipídicas (que conservan la estructura de cuatro anillos), vitaminas y pigmentos (que son estructuras derivadas del núcleo con cuatro anillos). Estructura tridimensional y molecular de un esterol muy conocido: el colesterol. Se aprecia el extremo polar que esta molécula posee gracias a un OH en el anillo A. El colesterol es un esterol conjugado con cadenas hidrocarbonadas que le confirieren un comportamiento anfipático. Esta molécula es muy importante en el mantenimiento de la fluidez de 29 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds la membrana plasmática de las células eucarionte y de algunas bacterias, dado que interviene en las fuerzas de Van der Walls de los ácidos grasos de los fosfolípidos, dejando la membrana en un estado de “gel” (se analizará más adelante) Usualmente se le atribuye a efectos dañinos. Hay que destacar que el comúnmente denominado “colesterol malo” corresponde a las lipoproteínas y apolipoproteinas de baja densidad (apoLDL, LDL y VLDL), las cuales son vesículas con pocas proteínas y mucho colesterol en su interior, cuyo rol consiste en su transporte por la sangre. Estas vesículas se pueden acumular en los vasos sanguíneos, especialmente arterias, formando una placa de lípidos (placa aterosclerótica o ateroma), disminuyendo la luz del vaso. Con el pasar del tiempo ese vaso puede llegar a ocluirse. Esta patología se conoce como aterosclerosis. Cortes transversales en arteria con aterosclerosis. La imagen de la esquina superior izquierda muestra una arteria normal. La imagen de la esquina superior derecha muestra ya formación de una placa aterómica. En la esquina inferior izquierda se observa la notoria disminución de la luz vascular y en la esquina inferior derecha se observa como un coagulo sanguíneo quedó atrapado debido a la disminución del diámetro de la luz. El “colesterol bueno”, atribuido a las lipoproteínas y apolipoproteinas de alta densidad (apoHDL, HDL y VHDL) son vesículas que tienen una mayor carga proteica que de colesterol, por lo que no tienen un riesgo tan alto de producir aterosclerosis como las LDL, las apoLDL y VLDL. Los ácidos nucleícos Finalmente, concluiremos este tópico con una familia infaltable de biomoléculas celulares. Los ácidos nucleícos son biomoléculas poliméricas formadas por Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxigeno y Fósforo, organizadas en unidades monoméricas llamadas nucleótidos. Los exponentes más conocidos de esta familia de biomoléculas consisten en el DNA (ácido desoxirribonucleico; desoxirribonucleic acid) y el RNA (ácido ribonucleico; ribonucleic acid). El rol que poseen los ácidos nucleícos en la célula está íntimamente relacionado con la información genética. La dinámica de funcionamiento del DNA y del RNA se analizará en mayor profundidad en guías del módulo electivo. Por ahora, comenzaremos este punto describiendo como se organizan las unidades fundamentales de los ácidos nucleícos: los nucleótidos. P á g i n a | 30 Manuel Mallol Simmonds ▪ Los nucleótidos Los nucleótidos son los componentes monoméricos de los ácidos nucleícos. Están compuestos de tres componentes estructuralmente diferentes: - Un grupo fosfato (véase en el capítulo 1) - Una pentosa (ribosa o desoxirribosa) - Una base nitrogenada (Adenina, Timina, Guanina, Uracilo o Citosina). El grupo fosfato se encuentra en todos los nucleótidos, ya sea como monofosfato (un grupo P), difosfato (dos grupos P) o trifosfato (tres grupos P). Cabe señalar que los componentes del DNA y RNA solo son nucleótidos monofosfatados. Los nucleótidos difosfatados y trifosfatados (como el ADP y el ATP) poseen otras funciones en la célula, que serán comentadas en guías posteriores. Estructura básica de un nucleótido. En el rectángulo superior derecho se expresa el lugar que ocupa la base nitrogenada (purina [Adenina o Guanina] o pirimidina [Citosina, Timina o Uracilo]), bajo él se destaca la pentosa (en este caso una ribosa) y a su izquierda el grupo fosfato unido al C5. Las bases nitrogenadas son moléculas pequeñas provenientes de dos familias: las purinas (cuyos constituyentes son la Adenina y Guanina) que se caracterizan por la presencia de un anillo doble, y las pirimidinas (cuyos constituyentes son la Citosina, Uracilo y Timina) que se caracterizanpor la presencia de un anillo único. 31 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Estructura química de las purinas y pirimidinas Las pentosas que forman nucleótidos (que fueron mencionadas en el punto referente a carbohidratos) corresponden a la ribosa y la desoxirribosa. La única diferencia entre ambas, es que la desoxirribosa no posee un oxigeno en el carbono 2, que si posee la ribosa. (izq) Desoxirribosa. (der) Ribosa. Destáquese la presencia de oxígeno en la ribosa y su ausencia en la desoxirribosa (marcado con un cuadrado rojo). ▪ Acido Desoxirribonucleico, DNA o ADN Esta biomolécula se analizará con mayor detalle y precisión en el módulo electivo El ácido desoxirribonucleico (ADN, DNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos dAMP (Adenina), dTMP (Timina), dCMP (Citosina) y dGMP (Guanina), ordenados en forma de hélice dextrógira (sentido de giro a la derecha) de una larga longitud. La “d” antes de cada sigla de nucleótido representa la presencia de la pentosa desoxirribosa, característica especial y única del DNA. Posee dos tipos de enlaces que mantienen la hélice estable. En sentido horizontal (base nitrogenada con base nitrogenada) participan los enlaces de hidrógeno. En sentido vertical (grupo fosfato con grupo fosfato) participan los enlaces 5’-3’-fosfodiester. P á g i n a | 32 Manuel Mallol Simmonds El DNA, el sentido dextrógiro de su enrollamiento. En amarillo se representan las bases nitrogenadas y en azul los grupos fosfato junto con las desoxirribosas. Los nucleótidos que componen el DNA se ordenan de tal manera que siempre la Adenina forma enlaces de hidrógeno con la Timina y la Guanina con la Citosina Únicamente es posible encontrar DNA en: - Núcleo eucarionte - Nucleoide procarionte - Plásmidos procariontes - Mitocondrias y cloroplastos 33 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds - Virus DNA - Kinetoplastos (estructuras protozoarias) Curiosidades… El DNA es un largo pergamino que contiene todas las instrucciones para confeccionar las proteínas en los ribosomas, y así poder desarrollar un individuo completo y su dinámica bioquímica, biológica y ontogénica. Si pudiésemos estirarlo y medirlo, su longitud sería de dos metros aproximadamente (en células eucarionte). Las letras que componen las palabras dentro de este “mensaje genético” son los nucleótidos antes mencionados, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como genes. El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma (se verá en profundidad en guías ulteriores) circular (a diferencia de los eucariontes, que es lineal). ▪ Acido Ribonucleico El ácido ribonucleico (ARN, RNA) es una biomolécula formada por los nucleótidos AMP (Adenina), UMP (Uracilo), CMP (Citosina) y GMP (Guanina), ordenados en diferentes estructuras, todas lineales de larga o corta longitud. Son cadenas similares al DNA (poseen enlaces 5’-3’ fosfodiester y pueden formar enlaces de hidrógeno) pero no son dobles cadenas en hélice, sino que son monocatenarios (una sola cadena). Los nucleótidos constituyentes del RNA poseen todos las mismas bases nitrogenadas del DNA con excepción del Uracilo, y a diferencia del DNA poseen ribosa en su estructura. ¿Sabías que la longitud total del ADN que posee un ser humano es equivalente a realizar siete mil viajes ida- vuelta a la Luna? P á g i n a | 34 Manuel Mallol Simmonds (Izquierda) Diagrama de la estructura de un mRNA (RNA mensajero). (Derecha) Diagrama molecular del esquema adyacente. Se mencionó que el DNA en las células tiene un rol central en el almacenamiento de información genética, fundamental para el correcto funcionamiento de la célula. En base a eso la naturaleza creó un acido nucleico que pudiese copiar la información genética (o parte de ella), salir del núcleo y de esa manera expresarse. Si algo le pasase a esa molécula, simplemente se sintetizaría otra, dado que solo es una copia de la original. Si algo le pasase al DNA (daño irreparable) la célula debe morir. Así podemos distinguir, de manera general tres tipos de RNAs, que serán profundizados en el módulo electivo de biología: o RNA mensajero o RNA ribosomal o RNA de transferencia En resumen, el RNA es una copia de una de las cadenas del DNA, generada por un proceso llamado transcripción. Ejemplo de ejercicio PSU: MC De las siguientes, ¿Cuál(es) es(son) función(es) propia(s) de las proteínas? I. Formar parte del exoesqueleto de artrópodos. II. Almacenar información genética III. Ser catalizadoras positivas en reacciones bioquímicas. IV. Constituir la matriz de soporte de las células (citoesqueleto). a) Solo I 35 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds b) Solo II c) Solo I y II d) Solo II y III e) Solo III y IV La respuesta correcta en este caso es la alternativa e). La alternativa a) no es correcta porque el exoesqueleto de artrópodos está constituido por quitina, un polisacárido. La alternativa b) tampoco es correcta porque es el DNA, un ácido nucleico, es el encargado de almacenar información genética. La alternativa c) no es correcta porque considera los enunciados I y II. La alternativa d) no es correcta porque, si bien los catalizadores positivos en reacciones químicas son, por excelencia, las enzimas, que sí son proteínas, considera el enunciado II, que no es correcto. Finalmente la alternativa e) es correcta, porque el citoesqueleto está formado por proteínas, al igual que las enzimas. Tip PSU Generalmente aparecen preguntas relacionadas con esta guía, pero se basan en el dominio de los conceptos básicos. Te reiteramos que se esfuerces por dominar las bases de cada biomolécula, y posteriormente avances hacia los detalles. Ejercicios Capítulo II “Las Biomoléculas” 1. La formula general para un monosacárido es Cn(H2O)n. Entonces la formula general para un disacárido debe ser: a) C12H24O12 b) C12H22O11 c) Cn(H2O)n-1 d) Cn(H2O)n + Cn(H2O)n e) C12H22O12 2. Una molécula está compuesta por una cadena de carbonos e hidrógenos, y presenta enlaces simpes y dobles entre los C. Presenta además un grupo carboxilo. Esta molécula corresponde a: a) Base nitrogenada b) Acido débil c) Carbohidrato d) Acido graso e) Triglicérido 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? a) El RNAt y RNAm tienen el mismo tipo de bases pirimídicas b) El uracilo puede ser un componente del genoma viral c) El DNA presenta doble hélice en eucariontes y procariontes d) El enlace entre G y C es más fuerte que el enlace entre A y T P á g i n a | 36 Manuel Mallol Simmonds e) La adenina del DNA es distinta a la adenina del RNAm 4. La sacarosa es el azúcar que endulza normalmente el té. Es un disacárido, es decir, un carbohidrato formado por la unión de 2 monosacáridos. ¿Cuáles son los monosacáridos que forman la sacarosa? a) Glucosa y lactosa b) Galactosa y manosa c) Glucosa y fructosa d) Glucosa y glucosa e) Manosa y fructosa 5. Los carbohidratos, en sus diferentes formas, son utilizados como fuente de obtención de energía o bien tienen un rol estructural. Indique cual(es) de los siguientes carbohidratos es(son) sintetizado(s) para que cumpla(n) un rol estructural: I. α-Glucosa II. Almidón III. Celulosa IV. Quitina a) Solo I y II b) Solo II y III c) Solo III y IV d) Solo III e) Todas las anteriores 6. El DNA es la molécula que porta la información genética en todos los seres vivos. De los siguientes compuestos, ¿Cuáles forman parte de su estructura? a) Fosfato y ribosa b) Timina y guanina c) Desoxiribosa y ribosa d) Adenina y uracilo e) Citosina y trifosfato 7. De las siguientes moléculas sonexclusivamente LIPIDOS: I. Triglicéridos II. Aminoácidos III. Mielina IV. Carotenoides V. Lipoproteinas a) Solo I, III, IV y V b) Solo I, II y III c) Solo III, IV y V d) Solo I, III y IV e) I, II, III, IV y V 8. El enlace covalente que une dos aminoácidos se denomina: a) Glucosídico b) Enlace de hidrógeno 37 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds c) Covalente coordinado d) Peptídico e) Iónico 9. Las proteínas son esenciales en la química de la vida ya que cumplen numerosas funciones, entre las cuales se encuentran: a) Funciones reguladoras b) Función de defensa c) Reconocimientos de señales químicas d) Codifica la información genética e) Todas las anteriores 10. Un investigador desea aislar fehacientemente el receptor del neurotransmisor 5-HT en las neuronas del núcleo trigémino vascular, para determinar el rol de este NT en la generación de migraña. Para ello posee tres enzimas A, B y C, respectivamente capaces de aislar Carbohidratos, Proteínas y Lípidos esteroidales. Antes de comenzar el experimento, le pide su concejo, ¿Qué enzima debería utilizar para lograr su objetivo? a) A, dado que los receptores de membrana generalmente son polisacáridos modificados b) A, para extraer el glicocálix de la neurona. c) B, dado que los receptores de membrana son proteínas integrales multi-paso. d) B, dado que es necesario degradar las proteínas de membrana para disolverla y aislar el receptor, que es lipídico. e) C, dado que el receptor de 5-HT es el único receptor de origen esteroidal presente en las membranas plasmáticas. 1 2 3 4 5 6 C D E C C B 7 8 9 10 D D E C P á g i n a | 38 Manuel Mallol Simmonds I Medio De haber algo característico en el mundo biológico son las reacciones químicas, que permiten llevar a cabo la transformación de diferentes moléculas, lo cual consiste en la dinámica de la vida. Todas las reacciones celulares son posible gracias a la presencia de ayudantes moleculares que regulan el transcurso de una reacción química: Las enzimas. C p . I I – L a s b io m o lé cu la s M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io C p . I II – L a s e n zi m a s M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 39 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo III - Las enzimas En el capítulo anterior se abordaron, entre otros puntos, las proteínas. Dentro de ese punto no se incorporó un tema fundamental en la comprensión de la dinámica y fisiología celular: Las enzimas. A lo largo de esta guía describiremos qué son las enzimas, cómo y dónde actúan, y los factores que afectan su actividad. Descripción general Las enzimas son catalizadores positivos de las reacciones químicas que ocurren en la célula. Casi en su totalidad son de origen proteico, sin embargo existen moléculas de RNA con actividad similar a las enzimas llamadas ribozimas. Para poder comprender la importancia de la existencia de las enzimas, debemos describir las etapas de una reacción química. ▪ La reacción química Se define como reacción química un evento dinámico en el cual dos o más reactantes se combinan de una manera diferente para formar uno o más productos. En base a lo anterior es fácil hacer el enlace con biología: constantemente la célula está realizando cambios y procesos, sin parar. Las etapas simples de una reacción química son: 1. Contacto entre reactantes 2. Acumulación de energía de activación 3. Formación del complejo activado 4. Liberación de productos ¿Para qué existen las enzimas? Resulta que una reacción química normal, como mezclar hidróxido de sodio con ácido clorhídrico, no requiere una gran energía de activación, que se define como la energía necesaria para que los reactantes reaccionen y formen productos. Debido a eso si propiciamos la reacción (mezclamos los reactantes) espontáneamente reaccionarán. Sin embargo, las reacciones químicas que se llevan a cabo en la célula (p. ej. Glucosa + O2 H2O + CO2 + ATP) requieren una energía de activación tan alta, que esperar a que esta reacción ocurra espontáneamente requeriría millones de años. Las enzimas al ser catalizadores positivos hacen “más” posible una reacción bioquímica, bajando la cantidad de energía de activación que los reactantes necesitan. Además, la célula dispone de una batería enzimática tan grande, que prácticamente toda reacción que ocurre en la célula esta mediada por una enzima. De esa manera, la célula se asegura que todas sus reacciones necesarias puedan ocurrir. P á g i n a | 40 Manuel Mallol Simmonds Comparación de una reacción química con (azul) y sin (rojo) la intervención de enzimas Cada célula en un organismo pluricelular tiene asignada una batería enzimática característica, y es en base a eso que existen células capaces desde alimentarse de bacterias (macrófagos y neutrófilos) hasta capaces de producir impulsos eléctricos (neuronas). Estructura de una enzima La estructura básica de las enzimas corresponde a una estructura protéica terciaria, con una cavidad o superficie especial llamada sitio activo. El sitio activo es el lugar donde los reactantes encajan y pueden reaccionar. Cabe señalar que el sitio activo de una enzima en particular solo sirve para un reactante en especial, llamado sustrato. Así, podemos decir que cada enzima sirve solo con un sustrato. Existen dos teorías para la unión enzima sustrato: - El modelo llave cerradura: El sustrato que calce perfecto con el sitio activo de una enzima será sólo para dicha enzima - El modelo de encaje inducido: El sustrato puede modificar el sitio activo de una enzima, para poder ser de dicha enzima. Se sabe que en general todos los sustratos tienen un nivel de inducción a su enzima en conjunto a su especificidad. Así podemos decir que ambos modelos son válidos. Una enzima también tiene otros sitios aparte del sitio activo, que sirven como “interruptores”. Muchas enzimas necesitan que una molécula las encienda para poder funcionar. 41 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Etapas de una reacción mediada por enzimas Las etapas en una reacción mediada por enzimas son las siguientes: 1. Formación del complejo enzima-sustrato 2. Reacción química 3. Formación del complejo enzima-producto 4. Liberación de los productos En la siguiente imagen se ven representadas dichas etapas anteriores Y como reacción química se puede escribir de la siguiente manera: Factores que afectan la actividad enzimática Este es un punto importante para la PSU y para lograr comprender los contextos en los que las enzimas se desenvuelven. Existen muchos factores, moleculares, biológicos o químicos, que pueden afectar la actividad de una enzima, ya sea disminuyéndola o potenciándola. P á g i n a | 42 Manuel Mallol Simmonds La temperatura La temperatura es uno de los factores físicos que más puede afectar la actividad enzimática. Las enzimas al ser proteínas, vienen establecidas para un rango de temperatura en la que son estables (generalmente bajo 45 °C). Cuando se supera dicho límite, la estructura terciaria de las enzimas se pierde, proceso llamado desnaturalización. Con la pérdida de la estructura terciaria, la actividad enzimática se pierde. Se aprecia el “punto óptimo” para una enzima en particular, a la cual ella funciona en su máximo punto. El pH Bajo el mismo concepto de desnaturalización, el pH puede ejercer efectos parecidos. Las proteínas vienen fabricadas para rangos de pHbastante estrechos. Un claro ejemplo es la enzima gástrica pepsina, cuyo tengo de pH óptimo es entre 1 y 2. Si esa enzima se mezcla con el jugo pancreático, cuyo pH se encuentra entre 7 y 8, su actividad cesa debido a su desnaturalización. Se aprecian tres enzimas con rangos de pH diferentes (Pepsina, Peptidil transferasa y Amilasa pancreática). Se puede apreciar como en el rango de máxima actividad de una, la de otras es mínimo. 43 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Inhibidores enzimáticos Un inhibidor enzimático es una molécula que limita la actividad de la enzima. Existen dos familias de inhibidores: o Reversibles: Son moléculas parecidas al sustrato. Ocupan el sitio activo de la enzima sin permitir la reacción. Si se eleva la concentración del sustrato, éste desplaza al inhibidor. o Irreversibles: Son moléculas que se unen a otra región de la enzima, alterando su conformación tridimensional. La enzima queda limitada sin poder liberarse del inhibidor. Representación de la inhibición reversible. Ayudantes ó estimulantes Son moléculas que algunas enzimas necesitan para poder ejercer su actividad. Se conocen como coenzimas (de origen orgánico; p. ej. Coenzima A) o cofactores (de origen inorgánico; p. ej. Magnesio). Su unión a la enzima potencia la actividad enzimática y/o permite su funcionamiento. También las propiedades que pueden afectar son la presencia de inhibidores artificiales, como medicamentos específicos, la concentración del sustrato y de la enzima, etc. P á g i n a | 44 Manuel Mallol Simmonds Curiosidades… Ejemplo de ejercicio PSU: MC De las enzimas podemos afirmar con certeza: a) Pueden ser de naturaleza proteica o lipídica b) Son catalizadores, por lo tanto alteran el equilibrio de una reacción c) Algunas requieren un componente químico adicional llamado coenzima o cofactor d) Aumentan la velocidad de reacción aumentando la energía de activación e) Su función no requiere condiciones de pH especiales. La respuesta correcta en este caso es la alternativa c). La alternativa a) no es correcta porque actualmente no se conocen enzimas lipídicas. La alternativa b) tampoco es correcta porque los catalizadores afectan la velocidad de reacción, no u equilibrio (que depende de las leyes de conservación de matera). La alternativa c) es correcta porque efectivamente algunas enzimas requieren coenzimas o cofactores. La alternativa d) no es correcta porquesi se aumentase la energía de activación, la reacción tendería a no ocurrir; las enzimas hacen lo contrario. Finalmente la alternativa e) no es correcta, porque las enzimas, al ser proteínas, dependen íntimamente de las condiciones de pH del medio. ¿Sabías que existe una enzima llamada telomerasa que previene el avance brusco del envejecimiento? 45 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Tip PSU Las preguntas que puedan aparecer respecto a las enzimas se enfocan fundamentalmente a los factores que afectan su actividad. Así, pueden aparecer análisis de gráficos de actividad vs. pH, en donde el postulante debe saber qué rol tiene el pH en la actividad enzimática. Ejercicios Capítulo III “Las enzimas” El siguiente gráfico representa la actividad de la enzima E (% de capacidad) y concentración (M) de la sustancia S versus el tiempo, con respecto a este gráfico: 1. ¿Qué podría deducirse entre los 3 y 6 segundos? a) A medida que la sustancia S decrece en concentración, también lo hace la enzima b) A medida que la sustancia S aumenta su concentración, la actividad enzimática disminuye. c) A medida que la enzima disminuye su actividad, la sustancia S aumenta. d) Tanto A como C son válidas con la información proporcionada e) Tanto B y C son válidas con la información proporcionada. 2. Si se agrega el detalle que la sustancia S es un producto inoculado a la célula (no es producida por ella) ¿Qué podría afirmar al respecto? a) Mientras más sustancia S agrego al cultivo celular, menos actividad posee la enzima E b) Mientras más sustancia S agrego al proceso, menos actividad posee la enzima E entre los 3 y 6 segundos. c) Mientras más sustancia S agrego al proceso, más potencia tiene la enzima E de aumentar su actividad en un futuro d) La sustancia S es un inhibidor alostérico e) Ninguna de las anteriores. 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta con respecto a lo sucedido entre los 7 y 13 segundos? 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Actividad (%) Concentración (M) P á g i n a | 46 Manuel Mallol Simmonds a) La sustancia S es capaz de estimular la transcripción de los genes codificantes de la enzima E, por lo cual mejora su actividad al haber una mayor disponibilidad b) La sustancia S es capaz de quelar elementos citoplasmáticos y transformarse en un cofactor que estimula (luego de un tiempo) a la enzima para que sea más productiva. c) La enzima inactiva en el tiempo anterior es ubiquitinizada (Marca para degradar proteínas) y es reemplazada por una enzima más eficiente para producir producto, la cual no es sensible a la sustancia S d) Al estar disminuida la cantidad de producto de E, la célula estimula la expresión de los genes responsables de la enzima E (feedback), con lo cual aumenta exponencialmente la actividad enzimática (que es censado por la concentración de producto), indiferentemente de la concentración de la sustancia S e) Al agregar temperatura, la sustancia S (un inhibidor termolábil) es inhabilitado, por lo tanto no importa la cantidad que agregue; la enzima E no se verá afectada. 4. Un estudiante de IV medio busca inducir la apoptosis (muerte celular programada) en un cultivo de fibroblastos a través de la ruptura de lisosomas (organelos de pH ácido, con enzimas degradativas en su interior). Al realizar la lisis, se da cuenta que la célula no se autodegrada. ¿Por qué pudo haber fallado? a) Las enzimas de los lisosomas están diseñadas para actuar a pH ácido, y el citoplasma tiene pH neutro. b) Las enzimas de los lisosomas están ancladas a su membrana plasmática, por lo que al romper los organelos, también se degradan las enzimas. c) Los sustratos existentes en el citoplasma no son reconocidos por las enzimas lisosomales. d) La concentración de sustrato citoplasmático supera con creces la concentración de enzimas lisosomales, por lo que no ocurre la degradación e) La tasa de recuperación interna de una célula es tan alta que las enzimas lisosomales no alcanzan a degradar a la célula. 5. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? a) En muchas reacciones procariotas, sus enzimas son más simples que las eucariotas. Un ejemplo es la transcripción. b) Las enzimas procariotas no utilizan el sistema de sitio activo para sus reacciones. c) Tanto los eucariotas como procariotas poseen complejas maquinarias enzimáticas para la reparación del DNA. d) La fiebre es un potente inhibidor de las enzimas termolábiles de las células procariotas. e) Gran cantidad de antibióticos son inhibidores enzimáticos para células procariotas. 6. La existencia de procesos enzimáticos encadenados (como en la glucólisis) se explica por un fenómeno relacionado con: a) Entalpia b) Energía libre de Gibbs c) Electrofilia d) Termofilia e) Inducción por producto 7. ¿Qué se entiende por zimógeno? a) Una enzima encargada de actuar en rangos de pH para los que no fue diseñada b) Una enzima que tiene capacidad de catalizar múltiples reacciones c) Una enzima inactiva, que requiere un estímulo físico-químico para activarse 47 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds d) Un análogo enzimático sintetizado in vitro, que puede inocularse a la actividad celular e) Ninguna de las anteriores 8. De las siguientes moléculas, ¿Cuál(es) no es(son)enzima(s)? I. Fibrinógeno II. Ureasa III. Trombina IV. DNA polimerasa V. Tripsina VI. Carboxipeptidasa a) Solo I b) I, II y IV c) II y V d) I, III y V e) I y V 9. La pepsina es una enzima que se encuentra en el jugo gástrico y se encarga de la digestión parcial de proteínas. ¿Qué fenómeno podría explicar que no digiera al mismo estómago? a) El estomago secreta factor intrínseco, que es un inhibidor selectivo de la pepsina. b) El estomago deja de producir pepsina cuando las fibras nerviosas detectan que dicha enzima está digiriendo las paredes estomacales c) El estómago tiene una capa de lípidos que recubren las superficies protéicas, protegiéndolo de la degradación enzimática d) El estomago produce mucus, que junto con contener glicoproteínas que protegen del HCl, contiene bicarbonato. e) Ninguna de las anteriores. 10. Una estudiante de IV medio trabaja junto a su compañero en un proyecto científico. Mientras su compañero experimenta con lisosomas, ella decide realizar un Knock Out al gen que codifica la enzima Manosidasa II. ¿Cuál(es) de las siguientes consecuencias esperaría observar? (Knock Out: Silenciar la expresión de un gen) a) Disminución radical de producción de N-Oligosacárido complejo b) Interrupción de la vía de maduración de proteínas en el Aparato de Golgi c) Falla multiorgánica al poco tiempo en el organismo d) Acumulación de oligopéptidos sin función e) Todas las anteriores 1 2 3 4 5 6 E B D A B B 7 8 9 10 C E D E P á g i n a | 48 Manuel Mallol Simmonds C p . I V – M ic ro sc o p ía y g e n e ra li d a d e s ce lu la re s M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl “La constatación de que la vida manifiesta un diseño inteligente es tan trascendental como la observación de que la Tierra gira en torno al Sol.” http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 49 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo IV – Microscopía y generalidades celulares “La constatación de que la vida manifiesta un diseño inteligente es tan trascendental como la observación de que la Tierra gira en torno al Sol.” Michael J. Behe A partir de este capítulo comenzaremos el análisis de un misterio actual para la biología: El diseño de la vida, la célula. Si se piensa empíricamente el estudio de la biología celular está muy avanzado, resultando en datos bastante complejos y asombrosos. Sin embargo, la duda más trascendental acerca de la célula aún no ha podido ser resuelta: ¿Logró la naturaleza concebir una maquinaria tan compleja, aparentemente perfecta en términos termodinámicos, a través del azar? Definitivamente, la respuesta a esa pregunta debe crearse en la mente de cada uno de los científicos ya formados, y en formación, como ustedes. Historia celular En la actualidad se habla que la célula es la unidad de menor tamaño capaz de considerarse viva. Según los términos de la biología celular, la célula es la unidad encargada de llevar a cabo la reproducción, el funcionamiento y otorgar la forma a cada organismo. La historia de la célula está en relación a los avances tecnológicos que permitían su estudio. De esa manera, podemos destacar brevemente el aporte de los siguientes personajes (si deseas saber más de este tópico, recomendamos el libro Historia de la Célula, de JD Vial): o Hooke (1665), quien observo corcho en una lente con un aumento de 50 veces. Llamo a las estructuras en forma de panal “células”, derivado del latin “cella”, que significa “hueco”. o Anton Van Leeuwenhoek (1670), quien fue la primera persona en lograr ver células eucariontes vivas en su microscopio (construido por él mismo). Observaba protozoos y espermatozoides (pintura de la izquierda). o Schwann (1830), quien postula que la célula es la unidad mínima elemental de un ser vivo (animal o planta) y que es necesaria para su funcionamiento y reproducción. o Brown (1831) y Purkinje (1839), que logran observar respectivamente el núcleo celular y el citoplasma, otorgando las primeras caracterizaciones generales a la célula. P á g i n a | 50 Manuel Mallol Simmonds o Virchow (1850), quien postuló que todas las células provienen de otra célula. o Margulis (1981), quien postula la teoría de la endosimbiosis serial, teoría que explica el origen de los organelos eucariontes. ▪ La teoría celular En el año 1830, Schwann y Schleiden postulan la teoría que unifica los conceptos celulares obtenidos hasta esa fecha, bautizada como la teoría celular. Actualmente se estudia si incorporar la unidad genética de los seres vivos, debido a que son las células las que portan la información necesaria para constituir, tanto morfológica como fisiológicamente, un organismo. La importancia de esta teoría radica en la incorporación al estudio de los fenómenos biológicos en toda su diversidad el prisma celular. Todas las explicaciones del funcionamiento de los aparatos y sistemas de un organismo, así como su crecimiento y desarrollo están relacionadas con las células, de manera que la postulación de esta teoría cambió para siempre el enfoque de la biología. Generalidades de la célula Una célula es un compartimento “aislado” del medio externo que lo rodea, la cual puede compararse con una ciudad altamente dinámica rodeada por una muralla selectiva al paso. Existen organismos vivos que solo constan de una sola célula (organismos unicelulares) como protozoos, algunos hongos y bacterias, y existen organismos más complejos que están formados por muchas células (organismos pluricelulares) que abarcan desde organismos relativamente simples, como artrópodos o nematodos microscópicos, hasta los seres humanos y las plantas. La estructura básica de una célula consiste en tres elementos indispensables: o El núcleo celular: Un compartimento aislado de la célula, en el cual se almacena el material genético del organismo. o La membrana plasmática: Es una fina membrana constituida de lípidos y proteínas, la cual limita la región de una célula. También regula las sustancias que entran y salen de ella. o El citoplasma: Es un medio acuoso comprendido entre el núcleo y la membrana plasmática. En él se encuentran los organelos (compartimentos delimitados por La teoría celular establece que la célula es la unidad fisiológica, morfológica y reproductiva de todos los seres vivos. 51 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds membranas), el citoesqueleto (soporte celular), complejos supramoleculares y sustancias en solución. Continuaremos con la descripción de dichos componentes más adelante, en sus respectivas secciones. Para comprender mejor las diferencias evolutivas de las células, es fundamental destacar los dos grandes grupos de células existentes en la naturaleza: PROCARIOTAS (<pro> antes, <carion> núcleo; antes del núcleo), cuyos únicos constituyentes son las bacterias. Estas células se caracterizan por no tener un núcleo definido ni organelos. EUCARIOTAS (<Eu> verdadero, <carion> núcleo; núcleo verdadero) que componen a todos los organismos que no son bacterias (organismos eucariontes). Poseen un núcleo verdadero y múltiples organelos P á g i n a | 52 Manuel Mallol Simmonds Bases de la microscopía Un microscopio es un instrumento óptico que permite a un científico observar una imagen muy pequeña (invisible al ojo humano) para determinar su morfología y características. Existen diferentes clases de microscopio, las cuales serán descritas a continuación: ▪ Microscopio óptico La microscopía óptica se basa en el uso de combinaciones de lentes y espejos para lograraumentar una imagen pequeña hasta mil veces. El primer microscopio óptico se cree que fue construido por Galileo Galilei, seguido por el sistemas de lupas de Hooke, los cuales eran microscopios con aumentos de hasta cien veces. Anton Van Leeuwenhoek en 1670 logró aumentar hasta casi trescientas veces muestras biológicas obtenidas por él mismo (semen, excretas, eritrocitos). Todos estos microscopios ópticos pueden considerarse monoobjetivos, es decir, poseían solo un lente que permitía observar bajo una cierta magnitud de aumento, sin poder variar. Las partes fundamentales del microscopio óptico actual son: Lentes oculares: Poseen un aumento de 10x. Es por donde uno mira. Tubo: Conecta los lentes oculares con los objetivos. Pie: Es una estructura solida de metal que sirve de esqueleto al microscopio. Revolver: Es una estructura circular que tiene atornillados los lentes objetivo. Permite cambiar entre uno y otro cuando se observa la muestra. Lentes objetivo: Existen de diferentes magnitudes, siendo típicamente 4x, 10x, 40x y 100x (este último no se utiliza con frecuencia). Permiten amplificar la muestra. Platina: Es un piso con pinzas en donde se monta la preparación a observar. Tornillo macro-micrométrico: Permite el enfoque brusco (macro) y fino (micro) de la muestra. Acerca la platina al lente objetivo. Tornillo de desplazamiento: Permite mover la muestra horizontal y verticalmente. Condensador: Tiene forma cónica y tiene un diafragma regulador. Permite condensar la luz proveniente de la fuente de luz a un punto más pequeño, para que pueda refractar en los lentes objetivos. Fuente de luz: Otorga la luz necesaria para la observación. 53 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Otras microscopías El espectro máximo promedio del microscopio óptico es de mil veces la muestra, lo cual es muy útil para observar tejidos y células junto a sus componentes más grandes (como el núcleo o la pared celular). Sin embargo, las desventajas que éste otorga son: Observación en dos dimensiones (largo y alto) No se aprecian estructuras finas No se aprecian organelos Requiere que las muestras estén teñidas con colorantes especiales. Debido a lo anterior se concibieron diferentes tipos de microscopía, de acuerdo con los requerimientos de la ciencia. o Microscopia electrónica de transmisión (MET) Se trata de un microscopio que dispara un flujo de electrones sobre la muestra. Luego estos son capturados en una placa que se encuentra posterior a la muestra.. El concepto de “electrodensidad” cobra importancia al momento de ver la imagen: Una zona electrodensa es una zona que retuvo mayor cantidad de electrones, por lo que en la imagen se verá más oscura (por ejemplo, proteínas de adhesión celular). Al contrario, algo poco electrodenso es algo que retiene poco a los electrones (por ejemplo, el citoplasma) que en la imagen se ve muy claro. Así, la microscopía electrónica de transmisión otorga una resolución de hasta 100.000x Microvellosidades intestinales (MET) 30.000x o Microscopia electrónica de barrido (MEB) Otro tipo de microscopía electrónica es la microscopía electrónica de barrido. La diferencia con la MET es que las imágenes obtenidas con este tipo de microscopía son en tres dimensiones, por lo que es posible obtener detalles de superficies solamente externas, como las microvellosidades intestinales. El flujo de electrones es oblicuo, y gracias a eso es posible obtener un “barrido” de superficie. P á g i n a | 54 Manuel Mallol Simmonds Microvellosidades intestinales (MEB).15.000x La resolución máxima del MEB es menor que la del MET, pero oscila entre varios miles hasta décimas de miles de veces la muestra. o Otros microscopios Microscopio de inmunofluorescencia: Utilizado para la detección de moléculas específicas, p ej. Un canal iónico, adicionando anticuerpos fluorescentes. Microscopio de fuerza atómica: Es un microscopio que detecta fuerzas moleculares. Tiene el máximo espectro conocido (piconewtons) y se utiliza con frecuencia en nanotecnología. Microscopio de campo oscuro: Es un pariente cercano del microscopio óptico, pero la fuente de luz se encuentra sobre la muestra, haciendo que destaquen sus propiedades dimensionales contra un fondo oscuro. Las células procariotas Las células procariotas son células pequeñas, carentes de núcleo y organelos, conformantes del reino Bacteria. Se cree que este tipo de células fueron las primeras en aparecer en la historia de la vida, puesto que su simplicidad e increíble diversidad de adaptación a las diferentes condiciones ambientales las transforman en buenos candidatos para ello. ¿Carentes de núcleo? Sí, el material genético de las células procariotas se encuentra en un solo cromosoma circular carente de histonas inmerso en el citoplasma, en una región llamada nucleoide. Es mucho más corto que el genoma de una célula eucariota y tiene una gran capacidad para mutar (alterar la secuencia de genes del material genético, cambiando las cualidades de quien lo posea). ¿Carentes de organelos? Pese a que los organelos celulares serán analizados más adelante, podemos definirlos como compartimentos membranosos intracelulares que tienen funciones específicas asignadas. Las células procariotas no tienen dicho sistema de compartimentos, pero poseen algunas de sus características insertadas en su membrana plasmática. Sí poseen complejos supramoleculares, como los ribosomas. 55 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds La reproducción de las bacterias se fundamenta en la fisión binaria, la cual es un proceso de formación de clones. Este proceso es dependiente del tipo de bacteria y factores ambientales (temperatura, humedad). En capítulos posteriores se profundizará en este tópico. Estructura básica de una célula procariota Curiosidades… Otras estructuras únicas de las células procariotas son: o Mesosomas: Se pensaba que eran estructuras específicas de membrana, que ayudaban a la replicación del ADN, pero no han sido observadas in vivo. Se llegó a la conclusión que eran artefactos (errores en la preparación de muestras). o Pared celular: En algunos procariontes está muy desarrollada y en otras no. Consiste en una pared compuesta de peptidoglicano y proteínas. o Ribosomas 70S: Son complejos supramoleculares de RNA ribosomal y proteínas que participan en la síntesis de proteínas. Son más pequeños que los eucariotas y tienen una secuencia diferente. ¿Sabías que por cada cm2 de piel existen mil bacterias aproximadamente? P á g i n a | 56 Manuel Mallol Simmonds o Pilis: Son fimbrias tubulares que pueden participar en la adhesión a superficies o transferencia de información hacia otros procariontes. o Plásmidos: Son fragmentos de DNA codificante de alguna ventaja (en la mayoría de los casos) que pueden ser transferidos entre procariontes. o Cápsula: Consiste en una capa (generalmente de polisacáridos) que protege a algunas bacterias de la acción del sistema inmune, una vez dentro del huésped. - Citoesqueleto Las células procariotas tienen un citoesqueleto rudimentario, similar a las fibras de actina, formado por tres proteínas denominadas FtsZ (análoga a la Tubulina), MreB (Análoga a la actina) y CreS (Análoga a los filamentos intermedios), entre otras. La dinámica de las bacterias como organismos se describirá en capítulos del módulo electivo de biología referentes a microbiología. Las células eucariotas Las células eucariotas (<eu> verdadero, <carion> núcleo; núcleo verdadero) son un tipo de célula caracterizado por su tamaño mayor a las células procariotas, su gran diversidad de formas y funciones, la presencia de un núcleo delimitado por una membrana y de organelos especializados en realizar diferentesfunciones. Los organismos eucariontes son de una diversidad asombrosa, abarcando desde protozoos como Giardia lamblia hasta los seres humanos y plantas, pasando por hongos, plancton, peces, aves, reptiles, anfibios y mamíferos. 57 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Las células eucariotas son evolutivamente más jóvenes en comparación a las procariotas. La teoría de la endosimbiosis serial propuso un modelo para explicar el origen de algunos organelos membranosos de la célula eucariota, postulando que en algún periodo de la evolución procariota, una célula procariota fue endocitada (introducida) por otra y se mantuvo realizando funciones dentro de ella, que eran de ventaja para la otra célula. De esa manera era posible explicar la gran similitud que existe entre cloroplastos y mitocondrias con células procariotas (véase más adelante). Aun así, esta teoría no puede explicar el desarrollo de complejos membranosos ni del núcleo Tampoco puede explicar el por qué las células eucariotas son capaces de formar organismos complejos y las procariotas no. Las células eucariotas pueden ser clasificadas según su morfología en: Conformadoras de organismos unicelulares Conformadoras de hongos pluricelulares Células eucariotas animales Células eucariotas vegetales Las destacadas son de importancia para la PSU. Pese a que las células eucariotas pueden ser clasificadas según su morfología y el tipo de organismo que conforman, todas comparten la propiedad que poseen organelos membranosos y núcleo. La gran mayoría pueden realizar la mitósis para reproducirse (véase más adelante). ▪ Organelos Un organelo se define como un compartimento intracelular delimitado por membrana simple o doble, que posee una función asignada. Si volvemos a la analogía con la ciudad (citada al comienzo de esta guía), los organelos serían dependencias de dicha ciudad, que mantienen su funcionamiento óptimo. Para facilitar la comprensión, adyacente a cada nombre se encuentra la analogía de la función que tendrían en la ciudad. - Organelos de membrana simple: 1. Retículo endoplasmático rugoso (RER) - El colegio: Es un gran organelo de membrana simple que está en íntimo contacto con el núcleo. Participa activamente en la modificación y plegamiento inicial de las proteínas. En su membrana se encuentran adosados ribosomas, que le dan un aspecto rugoso. 2. Retículo endoplasmático liso (REL) - Planta de tratamiento de desechos y fabrica de ladrillos: Esta en contacto con el retículo endoplasmático rugoso. Participa en la síntesis de los fosfolípidos y tiene un importante rol en la degradación de sustancias tóxicas para la célula. 3. Aparato de Golgí - La universidad: Esta cercano al RER. Posee una cara cis (hacia el RER) y otra trans (hacia la membrana plasmática). Es el órgano modificador, distribuidor y empaquetador de todas las proteínas que fabrica la célula, provenientes del RER. 4. Lisosomas - Planta de reciclaje: Son vesículas modificadas, cuyo contenido son principalmente enzimas líticas encargadas de degradar lo que es endocitado. Estas P á g i n a | 58 Manuel Mallol Simmonds enzimas funcionan a un pH 5, presente solamente al interior de los lisosomas, lo cual es una importante forma de proteger a la célula de la rotura de los lisosomas. 5. Peroxisomas - Planta de tratamiento de tóxicos: Son vesículas modificadas que contienen enzimas que ayudan a la célula a evitar el estrés celular (presencia de radicales libres oxidantes). De estas enzimas destacan la glutatión transferasa, la SOD y la catalasa. Esta última participa en la degradación del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) en agua e hidrógeno. 6. Vacuolas - Estanques de agua: Son organelos muy desarrollados en células vegetales y algunos protozoos, pero en células animales es difícil su diferenciación de otras vesículas pinocíticas (véase más adelante). En las plantas son organelos grandes que almacenan principalmente agua con iones, azucares y proteínas en solución. Proveen de elementos en caso de escases y ayudan a mantener la presión de turgencia (la cual mantiene “recto” un tallo de una planta). - Organelos de membrana doble (cada uno será analizado en detalle en capítulos ulteriores): 1. Mitocondrias - Central eléctrica: Son organelos con una estructura particular compuesta de una membrana externa y una membrana interna que forma crestas hacia su interior. Posee su propio DNA circular. Participan activamente en la síntesis de ATP en presencia de oxígeno. 2. Cloroplastos - Fabrica de alimentos: Son organelos vegetales que, al igual que las mitocondrias, posee una doble membrana: una forma la membrana externa y la otra los tilacoides, lugar en donde se lleva a cabo el proceso de fotosíntesis fotodependiente (véase más adelante). Posee su propio DNA circular. 3. Plastídeos – Bodegas de almacenamiento: Son vesículas especializadas en almacenar sustancias. a. Cromoplastos: Almacenan pigmentos. b. Amiloplastos: Almacenan almidón. c. Oleoplastos: Almacenan lípidos. d. Cloroplastos: Son organelos complejos. Almacenan clorofila (descritos anteriormente), proteínas y productos de síntesis. 4. Núcleo celular - Alcaldía: Es el lugar donde se almacena todo el material genético (DNA) no circular de la célula. Posee una membrana nuclear (o carioteca) compuesta de proteínas llamadas laminas nucleares, la cual posee poros por donde escapan las moléculas de RNA al citoplasma. Por esos poros entran también las enzimas propias del núcleo (enzimas de mantención del DNA) y las enzimas de virus como el VIH. En su interior existe una zona más densa llamada nucléolo. En ese lugar se lleva a cabo la síntesis de la mayoría del RNA ribosomal de la célula. - Complejos supramoleculares 1. Ribosomas - Jardín Infantil: No cuadran en la definición de organelo, dado que no poseen membrana que los rodee. Están compuestos de RNA ribosomal y proteínas, que participan en la síntesis de proteínas de estructura primaria. Los que poseen las células eucariotas son de 80S, a diferencia de los procariotas de 70S. 59 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 2. Centriolos - Mantención de avenidas: Son también conocidos como MTOC (centros organizadores de microtúbulos). Participan en la distribución especial de los microtúbulos y de su primo-hermano, el huso mitótico (véase más adelante). 3. Citoesqueleto: Consiste en un grupo de fibras protéicas, dinámicas, que otorgan diferentes características mecánicas a la célula: a. Microtubulos (24nm) - Avenidas: Son parte del citoesqueleto. Se originan en los MTOC. Están formados por dímeros de tubulina. A través de ellos se desplazan los organelos y vesículas de secreción, además de componer el esqueleto axial de flagelos y cilios. b. Microfilamentos (7nm) - Cadenas de acero: Son parte del citoesqueleto. Están compuestos por un polímero de una proteína llamada Actina F. Se ubican en la periferia de la célula, en forma de red, bajo la membrana plasmática. Son responsables de la forma y del desplazamiento celular. c. Filamentos intermedios (10nm) - Cadenas de acero: Son parte del citoesqueleto. Están compuestos por diferentes proteínas, dentro de las cuales la más conocida es la queratina. Otorgan rigidez a la célula y participan en algunas uniones celulares. Célula animal. (1) Nucléolo, (2) Núcleo, (3) Ribosoma, (4) Vesícula, (5) RER, (6) A. Golgi, (7) Citoesqueleto, (8) REL, (9) Mitocondrias, (10) Lisosoma, (11) Citoplasma, (12) Peroxisoma, (13) Centriolos A modo de resumen, podemos observar la siguiente tabla: Nombre Tipo de membrana Tipo de célula donde se encuentra Función Retículo endoplasmático rugoso Membrana simple Eucariota Vegetal y Animal Modificación primaria de proteínas. Retículo endoplasmático liso Membrana simple Eucariota Vegetal y Animal Detoxificacióncelular y síntesis de fosfolípidos Aparato de Golgi (o dictiosoma en veg) Membrana simple Eucariota Vegetal y Animal Modificación final, exportación y distribución de proteínas. Síntesis de P á g i n a | 60 Manuel Mallol Simmonds pared celular en vegetales Lisosomas Membrana simple Eucariota Animal Degradación de fagosomas (digestión celular) Peroxisomas Membrana simple Eucariota Vegetal y Animal Degradación del agua oxigenada y otros radicales libres oxidantes. Vacuolas Membrana simple Eucariota Vegetal y Animal Turgencia vegetal y reserva de agua y nutrientes Mitocondrias Membrana doble Eucariota Vegetal y Animal Producción de ATP. Control de la apoptosis. Cloroplastos Membrana doble Eucariota Vegetal Fotosíntesis Núcleo Membrana de proteínas Eucariota Vegetal y Animal Almacenamiento del material genético (DNA) Nucléolo Sin membrana Dentro del núcleo de eucariotas vegetales y animales Síntesis de RNA ribosomal Ribosomas Sin membrana Eucariota Vegetal y Animal (80S) y Procariotas (70S) Síntesis proteica Centriolos Sin membrana Eucariota Vegetal y Animal Producción y control de microtúbulos Microtúbulos Sin membrana Eucariota Vegetal y Animal Movilización de vesículas endocíticas y de organelos. Microfilamentos Sin membrana Eucariota Vegetal y Animal Forma y desplazamiento celular. Filamentos intermedios Sin membrana Eucariota Vegetal y Animal Resistencia y adhesión celular ▪ Diferencias entre células eucariotas animales y vegetales Pese a que ambos Reinos, Animalia y Plantae, están íntimamente relacionados entre sí, comparten diferencias fundamentales, tanto a nivel de organismo como de célula. A continuación se propone un resumen en dichas diferencias. Célula eucariota animal Célula eucariota vegetal Ausencia de pared celular Presencia de pared celular con celulosa Ausencia de cloroplastos y de otros plástidos Presencia de cloroplastos y otros plástidos 61 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Condición cromosómica diploide (pares cromosómicos; 2n) Condición cromosómica variable (diploidía, triploidía y otras poliploidías) Presencia de lisosomas Ausencia de lisosomas Ausencia de glioxisomas Presencia de glioxisomas Presencia de colesterol en la membrana plasmática Presencia de ergomasterol (ó ergosterol) en la membrana plasmática Célula vegetal con sus componentes Las diferencias más importantes entre ambos reinos a nivel de organismo son las siguientes: 1. Los animales en su desarrollo embrionario pasan por una fase llamada gastrulación, formando tres hojas embrionarias. Eso determina que existirán diferentes poblaciones celulares, desarrollando una gran diversidad de tejidos y órganos, al igual que las cavidades corporales. 2. Los animales tienen especializaciones para la locomoción, a diferencia de las plantas que no poseen forma de movilizarse ni de moverse. 3. Las plantas están facultadas para la fotosíntesis; tienen pigmentos particulares para ello y su morfología se enfoca a la captación de luz (hojas en general). 4. Los animales poseen aparatos y sistemas especializados en su integración y correcto funcionamiento (respiración, digestión, excreción y control nervioso), cada uno formado por poblaciones celulares diferentes provenientes de un cigoto. 5. Los animales poseen un aparato digestivo, que los faculta para degradar hasta las biomoléculas esenciales otros organismos. Las plantas fabrican sus nutrientes a través de la fotosíntesis. 6. Los animales tienen una distribución simétrica preestablecida de sus componentes (extremidades, órganos, etc). Las plantas regulan su simetría en base a factores ambientales. P á g i n a | 62 Manuel Mallol Simmonds Pueden existir muchas diferencias, que no sería de utilidad nombrarlas en este espacio. Se han citado las más importantes para lograr establecer la evolución divergente respecto al primer eucariota de la historia. Si se describen las diferencias entre ambos reinos, también es importante destacar algunas similitudes: 1. Ambos tipos de organismos son aeróbicos (utilizan oxígeno para producir ATP) 2. Ambos utilizan el núcleo para almacenar su material genético en forma de DNA 3. En general comparten las mismas propiedades de dinámica celular 4. Los organelos vegetales y animales en común funcionan de la misma manera. La organización celular Las células en los seres vivos pueden organizarse de formas muy diferentes, desde organismos donde la célula lo es todo (organismos unicelulares) hasta un equipo de células que desempeñan diferentes funciones en un mismo organismo (organismos pluricelulares) En los animales, las células se organizan de la siguiente manera (menor a mayor nivel de complejidad) Esta organización en los vegetales es muy similar, con la diferencia que los tejidos, si bien pueden formar órganos, pueden también no hacerlo. Y los órganos no forman sistemas y aparatos, siendo el aparato reproductor de las plantas una notable excepción. Los organismos unicelulares tienen la siguiente organización: Organelos Células Tejidos Organos Sistemas y aparatos Organismo 63 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds En ellos, una sola célula es un organismo, teniendo ciclos de reproducción sexuales y asexuales en base a la carga genética. Estos organismos han desarrollado estructuras que les permiten movilizarse, incubar, protegerse y reproducirse en el medio que vivimos. Formas de vida de las células y de los organismos Concluyendo este capítulo, resumiremos de qué manera las células y los organismos se organizan para vivir. Muchos de los nombres descritos serán revisados en guías futuras. Las tres formas de vida de los organismos, más allá de sus células, son las siguientes: Organelos Célula Organismo Organismos unicelulares eucariotas Poblaciones Organismos pluricelulares animales y vegetales Poblaciones Comunidades Organismos procariotas Colonias P á g i n a | 64 Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC En eucariontes, las subunidades que forman a los ribosomas son producidas en: f) El nucléolo g) La carioteca h) Los lisosomas i) El aparato de golgi j) El retículo endoplasmático rugoso Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa a). La alternativa a) es correcta porque es allí donde se sintetizan los RNA ribosomales de la célula eucariota, y los RNA ribosomales conforman los ribosomas. La alternativa b) no es correcta porque la membrana nuclear no tiene actividad de síntesis de productos. La alternativa c) es incorrecta porque los lisosomas degradan productos, no los sintetizan. La alternativa d) no es correcta porque el Aparato de Golgi no sintetiza, sino que modifica, empaqueta y distribuye SOLO PROTEINAS. Finalmente la alternativa e) no es correcta, porque el RER solo efectúa modificaciones a proteínas primarias. Para lograr contestar bien esta pregunta debes dominar qué son y de qué están constituidos los ribosomas. También debes dominar las características de las células eucariotas, por la importancia de saber que el nucléolo esta en el núcleo. Tip PSU Esta guía es esencial para la comprensión de todos los temas que siguen por delante. Además, es frecuente ver preguntas relacionadas con los temas tratados en esta guía, sobretodo el tema de células en sí. Recomendamos estudiarlo bien desde un principio y volver a estudiarlo alrededor de un mes antes de rendir la PSU Ejercicios Capítulo IV “Microscopía y generalidades celulares” 1. Entre otras características, la célula eucariota se diferencia de una procariota porque a) Tiene un núcleo bien delimitado. b) Posee ADN asociadoa histonas. c) Se divide por mitosis o meiosis d) Posee ribosomas 80s e) Todas las anteriores. 2. Señale la alternativa correcta: I. En bacterias el material genético está representado por una molécula de ADN circular unido a proteínas no histónicas II. Todos los seres vivos están formados de células y productos celulares III. En los eucariontes su material genético se encuentra encerrado por una envoltura nuclear. 65 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo I, II y III 3. De los siguientes, ¿Cuáles son organelos de membrana simple? I. Ribosomas II. Cloroplasto III. Mitocondria IV. Retículo endoplasmático V. Lisosoma a) Solo IV y V b) Solo I, II y IV c) Solo I, III y V d) Solo II, III y IV e) Solo II, III y V 4. De los siguientes, ¿Cuáles son complejos supramoleculares? I. Aparato de Golgi II. Peroxisoma III. Ribosoma IV. Retículo endoplasmático liso a) Solo I y III b) Solo II y III c) Solo III d) Solo III y IV e) Ninguna de las anteriores 5. La(s) función(es) del RE rugoso es(son): I. En su lumen las proteínas ya sintetizadas sufren nuevos cambios conformacionales. II. Esta relacionado con el metabolismo de los lípidos intracelulares III. En su superficie posee ribosomas, en los cuales ocurre síntesis de proteínas IV. Esta íntimamente relacionado con el aparato de Golgi a) Solo I b) Solo I y II c) Solo I y III d) Solo I, II y IV e) Solo I, III y IV. 6. El aparato de Golgi debe su nombre a su descubridor, el microscopista italiano Camillo Golgi. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones respecto de este organelo no es correcta? a) En células vegetales recibe el nombre de dictiosoma b) Funciona sobre todo como un aparato procesador, modificador y distribuidor de proteínas c) Después que las proteínas son sintetizadas por ribosomas unidos al RER se transportan al aparato de Golgi mediante vesículas de transporte. d) En células animales hay solo un aparato de Golgi e) Ninguna de las anteriores P á g i n a | 66 Manuel Mallol Simmonds 7. ¿Cuál de las siguientes alternativas es FALSA? a) En los lisosomas se identifican cerca de 40 enzimas diferentes que realizan su acción directamente en el citoplasma. b) Entre otras, los peroxisomas contienen catalasa, que degrada el peróxido de hidrogeno que es tóxico para la célula c) El glioxisoma es un tipo de microcuerpo que se encuentra en vegetales d) Las vacuolas son vesículas de gran tamaño en vegetales con contenido acuoso e) Las células vegetales poseen exteriormente a la membrana plasmática una pared rígida que contiene celulosa y otros polisacáridos. 8. ¿En cuál de los siguientes procesos no participan los lisosomas? a) Proteólisis b) Degradación de peróxidos c) Degradación de organelos d) Digestión de lípidos e) Ninguna de las anteriores 9. El citoesqueleto de la célula eucariota está constituido por diversos tipos de fibra de origen proteico, dentro de las cuales podemos citar: I. Microtúbulos, que están compuestos de tubulina. II. Los microfilamentos que son estructuras de origen proteico, ubicadas en todo el espacio citoplasmático, que poseen un diámetro de 8 a 10nm III. Los filamentos intermedios citoplasmáticos, cuya principal función es la de otorgar resistencia a la célula frente al estrés mecánico. a) Solo I b) Solo I y III c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 10. Podemos encontrar plastidios en: a) Neuronas b) Miocitos c) Hojas de manzano d) Hongos e) Células Renales 1 2 3 4 5 6 E E A C E D 7 8 9 10 A B E C 67 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds C p . V – L a m e m b ra n a p la sm á ti ca M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Una de las estructuras celulares esenciales, mencionada en el capítulo anterior, corresponde a la membrana plasmática (celular o biológica). Esta estructura posee una organización tal que es capaz de regular qué sustancia entra o sale de la célula y regula el área celular. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 68 Manuel Mallol Simmonds Capítulo V – La membrana plasmática La membrana plasmática y su composición Ya se dijo que la membrana plasmática es una membrana que se encuentra limitando la superficie de una célula, y que “filtra” los elementos que entran o salen de ella. Pues bien, ahora definiremos la membrana plasmática como una bicapa de lípidos (específicamente fosfolípidos, esfingolípidos y colesterol) que, además de limitar el área de una célula, controla las sustancias que entran y salen de ella. Para poder llevar esto a cabo, se necesita una organización clave, que permita alejar a ciertas moléculas y a otras permitirles el paso. Esto es logrado por los siguientes elementos: 5. Los fosfolípidos (fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina y fosfatidilinositol) 6. Los esfingolípidos 7. El colesterol (o sus análogos) 8. Proteínas de membrana Los primeros tres elementos fueron descritos en el capítulo número dos, por lo que se recomienda realizar un repaso. Las proteínas de membrana son proteínas que tienen funciones clave en la dinámica de la membrana plasmática, entre las que se encuentran ser transportadores selectivos de moléculas (canales, bombas, etc), ser enzimas de membrana (como las del intestino delgado), ser receptores de hormonas y otras moléculas, ser transductores de señales (transforman una señal del medio externo hacia el medio interno de la célula) y otras que serán citadas más adelante. De las proteínas que se encuentran en la membrana plasmática existen dos grupos: o Proteínas integrales: Son proteínas que sus cadenas peptídicas cruzan una o más veces la bícapa de lípidos. Pueden formar canales o bombas en la membrana, así como algunas enzimas. La cantidad de dominios que los péptidos tengan transmembrana se denominan “pasos”. o Proteínas periféricas: Son proteínas que se encuentran adosadas a la membrana plasmática solo en un lado de la bicapa lipídica. ▪ Organización de la membrana plasmática Para poder llevar a cabo una prolija función, la membrana plasmática tiene una organización especial: - Los fosfolípidos se organizan en una bicapa, dado que sus colas hidrofóbicas tienden a huir del agua. De esa manera, la bicapa en su interior está compuesta por ácidos grasos y por sus caras externas se encuentran los grupos fosfato y glicerol, que tienen afinidad por el agua. - La proporción de los cuatro tipos de fosfolípidos en la membrana es asimétrica. - Entre los ácidos grasos de los fosfolípidos existen moléculas de colesterol (o sus análogos). Este colesterol es fundamental para la fluidez de la membrana, dado que su presencia reduce la magnitud de las fuerzas de Van der Waals 69 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds (fuerzas que atraen o repelen los ácidos grasos, responsable de la unión de ambas capas lipídicas de la membrana). De esa manera la membrana adquiere una consistencia de “gel”. Esta molécula es incorporada a la célula a través de endocitosis mediada por receptor, desde moléculas de Lipoproteinas de Baja densidad (LDL). - Las proteínas integrales tienen una zona de aminoácidos hidrofóbicos (pasos), que se ubica en la zona hidrofóbica de los fosfolípidos. Debido a esa característica estas proteínas pueden atravesar la membrana y tener un dominio intracelular y otro extracelular. - Por la cara externa de la membrana plasmática es muy frecuente encontrar carbohidratos (oligosacáridos) o ácidos grasos unidos a proteínas de membrana. Su función es actuar como identificadores o marcadores propios de una entidad celular. Algunascélulas poseen una estructura llamada glicocálix, que es una capa de oligosacáridos bastante definida, unidos a proteínas de membrana, que tiene un rol de identificación celular. - Modelo del mosaico fluido Antiguamente se creía que todos estos componentes de la membrana plasmática se encontraban rígidos e invariables. Hoy en día se sabe que la membrana plasmática, además de ser altamente dinámica en procesos fisiológicos, también lo es en cuanto a su morfología molecular. Ninguna proteína integral estará en el mismo sitio todo el tiempo, sino que puede moverse dentro de una región específica (por ejemplo el polo apical de una célula intestinal). Asimismo, los fosfolípidos pueden moverse y “voltearse” (proceso llamado flip-flop, llevado a cabo por unas enzimas llamadas flipasas). Sin embargo, pese a la fluidez de la membrana, algunos tipos de células tienden a polarizarse, formando dominios de membrana (como las células epiteliales) En base a lo anterior, en 1972 Singer y Nicolson postularon la teoría del mosaico fluido: P á g i n a | 70 Manuel Mallol Simmonds “La membrana plasmática es una estructura asimétrica, variable a cada segundo, en la cual las proteínas están incrustadas como mosaicos en una pared, pero a diferencia de estos últimos, las proteínas parecieran moverse con mucha fluidez debido al movimiento de los lípidos, causado por la naturaleza anfipática de los mismos”. Transportes a través de la membrana plasmática Una de las más importantes funciones de la membrana plasmática es el poder controlar qué sustancia puede entrar o salir de la célula. El análisis de este fenómeno abarca los transportes que necesitan de energía para ocurrir (como un salmón que nada a contracorriente), los que no la necesitan (como una hoja que flota en sentido de la corriente de un río) y el transporte de agua (y moléculas pequeñas) Resumen de los transportes a través de la membrana plasmática: ¿Qué necesito para realizar un transporte selectivo? Para que ocurran fenómenos de transporte deben existir dos compartimentos, separados por una membrana selectiva a ciertas moléculas. Transportes Activo (Gasto de ATP) Bombas Participación de membrana Exocitosis Endocitosis Fagocitosis Pinocitosis Pasivo (Sin gasto de ATP) Difusión Simple Osmosis Difusión Facilitada Canales Carriers (cotransporte) Uniporte Simporte Antiporte 71 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Cuando no hay energía de por medio, las sustancias van a fluir a favor del gradiente de concentración (véase más adelante), hasta que las concentraciones en ambos compartimentos sean iguales. ▪ Transporte pasivo El transporte pasivo se caracteriza porque no requiere gastar energía (ATP) para lograr cruzar la membrana plasmática. La regla que domina este tipo de transporte es el gradiente de concentración. Dentro del transporte pasivo podemos nombrar dos grupos: - Difusión simple: La sustancia transportada puede cruzar la membrana plasmática sin problemas. - Difusión facilitada: La sustancia transportada necesita una proteína (un canal o similar) que la ayude a cruzar la membrana. El gradiente de concentración puede ser definido como una diferencia entre las concentraciones de dos compartimentos adyacentes, separados por una membrana semipermeable. Según esa definición se distinguen tres conceptos que serán útiles más adelante: - Hipotónico: Medio con una concentración menor a la comparada. - Isotónico: Medio con la misma concentración que la comparada. - Hipertónico: Medio con una concentración mayor a la comparada Ejemplo: Metro de Santiago, estación San Pablo dirección Los Domínicos en hora pic (el tren está vacío y el andén lleno) El tren está hipotónico con respecto al andén El andén está hipertónico con respecto al tren. Cuando se abran las puertas, la gente tenderá bruscamente a entrar al tren P á g i n a | 72 Manuel Mallol Simmonds Para el Na + , el medio intracelular es hipotónico con respecto al extracelular - Difusión simple La difusión simple es un transporte en el cual la sustancia transportada cruza sin problemas la membrana plasmática a través de pequeñas “aperturas” entre los fosfolípidos llamados microporos. Para que una sustancia pueda realizar este transporte, debe cumplir ciertos requisitos: Ser apolar Ser muy pequeña El agua es una notable excepción, dado que es una molécula polar pero cruza sin problemas la membrana plasmática en un transporte denominado osmosis. Los alcoholes pequeños y los gases como el O2 y el CO2 pueden llevar a cabo este transporte. Existen más sustancias que pueden hacerlo, que no son importantes para la preparación de la PSU. - Difusión facilitada Los iones, los aminoácidos y los monosacáridos, entre muchas otras moléculas, no pueden cruzar la membrana plasmática, debido a que son polares o son de un tamaño muy grande. Para que la célula pueda obtener o eliminar estas sustancias es necesaria la presencia de proteínas transportadoras, conocidas como carriers (transportador) y canales ionicos. Los canales iónicos son proteínas integrales en forma de túnel, selectivos para uno, dos o tres iones. Estas proteínas pueden ser sensibles a cambios en el voltaje (canales activados por voltaje) o a la presencia de otras moléculas. La apertura de un canal iónico puede ser constante (canales de fuga) o solo en momentos clave (como en el impulso nervioso). Al abrirse un canal, los iones fluyen bajo dos principios: el gradiente de concentración y el gradiente electroquímico. Este último juega un papel central, debido a que los iones son partículas eléctricas. En consecuencia, cuando un canal iónico se abre, la diferencia de potencial entre ambos compartimentos se ve alterada, porque al moverse un grupo de cargas positivas o negativas, la magnitud de cargas entre ambos se ve modificada. 73 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Los carriers son proteínas transportadoras muy similares a los canales, con la diferencia que pueden transportar más de una molécula. El transporte por estos medios se conoce como cotransporte, debido a que para efectuarse tiene que estar ocurriendo otro tipo de transporte que mantenga un gradiente de concentración (generamente este transporte se acopla a movimiento de Na + ) Los tipos de cotransporte que se dan comúnmente son: - Uniporte: Un soluto se mueve en dirección de su gradiente de concentración. - Simporte: Dos solutos se mueven en dirección de su gradiente de concentración. - Antiporte: Un soluto entra a la célula y otro sale de ella, utilizando el mismo carrier. Este tipo de cotransporte se conoce también bajo el nombre de transporte activo secundario. - Osmosis La osmosis se define como el movimiento de agua a través de una membrana semipermeable. Cabe destacar que el agua puede moverse tanto por difusión simple (osmosis) como por difusión facilitada (por canales de agua llamados acuaporinas). Es de suma importancia comprender que el agua tiende a moverse hacia el medio que tiene una mayor concentración de solutos. P á g i n a | 74 Manuel Mallol Simmonds - Osmolaridad La osmolaridad es un término que hace referencia a la concentración de molécuals disociadas en agua (osmoles/litro en ves de moles/litro, usada en Molaridad). La expresión analítica para calcular la osmolaridad involucra la concentración molar de una sustancia y las partículas que pueda generar en solución: Se emplea con mucha frecuencia en fisiología humana (estudio de las funciones normales del humano) dado que la administración de diferentes sustancias (como el suero fisiológico estándar,que posee una concentración de NaCl 0,9%) significa que se inocula una cantidad de iones Na+ y Cl- que el plasma posee normalmente, lo cual (en casos de hipovolemia) estimulará el movimiento de agua entre diferentes compartimentos (intra y extravascular) permitiendo estabilizar propiedades hemodinámicas (entre otras muchas propiedades de la administración endovenosa de sustancias). Ejemplos: 1. Si preparo una solución de NaCl al 1 M (1 mol/litro), el agua (por el principio de solvatación) separará la sal para formar iones, en la misma proporción (un mol de Na+ y otro de Cl-). 2. Si preparo una solución de C6H12O6 (glucosa) 5 M, ¿Cuál es su osmolaridad? *La glucosa no se disocia en solución, por lo tanto solo queda la particula inicial. 75 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Esquema representativo del proceso de osmosis. Existen 6 partículas en el compartimento izquierdo (hipotónico), mientras en el derecho hay 13 (hipertónico), ambos con la misma cantidad de agua. El agua se desplazará hasta que las concentraciones de ambos compartimentos sean iguales (no por variabilidad de la [Sustrato], sino por la [H2O]). Fijarse en la separación de las moleculas en A y B antes y despues del movimiento. Para la PSU, es clave dominar los fenómenos que viven las células en base al movimiento de moléculas de agua. Los dos puntos que serán descritos son validos para células vegetales y para células animales (la experiencia fue realizada con eritrocitos en un principio): Células vegetales Tipo de medio extracelular Fenómeno ocurrido Descripción del fenómeno Observación macroscópica Hipertónico Plasmólisis Como el agua sale de la célula vegetal, la membrana plasmática se separa de la pared celular. Perdida de turgencia de la planta. Isotónico Nada Al tener la misma concentración de sales, el agua no tenderá a moverse. Nada Hipotónico Aumento de la presión de turgencia Al tener mayor concentración de solutos dentro de la célula, el agua tenderá a entrar a ella. Sin Nada A B A B P á g i n a | 76 Manuel Mallol Simmonds embargo, gracias a la pared celular, la célula no reventará. Tipo de medio extracelular Fenómeno ocurrido Variación de la ∆P turgencia Observación macroscópica Hipertónico Plasmólisis Perdida de turgencia de la planta. Isotónico Nada 0 Nada Hipotónico Leve hinchazón celular Nada Curiosidades… ¿Sabías que la formación de arrugas en la yema de los dedos durante un periodo prolongado en agua se debe a la osmosis? 77 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Células animales Tipo de medio extracelular Fenómeno ocurrido Descripción del fenómeno Observación macroscópica Hipertónico (B) Crenación Como el agua sale de la célula, la membrana plasmática se deshidrata, “arrugándose”. Variable. Véase signos de deshidratación. Isotónico (A) Nada Al tener la misma concentración de sales, el agua no tenderá a moverse. Nada Hipotónico (C) Citólisis Al tener mayor concentración de solutos dentro de la célula, el agua tenderá a entrar a ella. Al no poseer pared celular, la célula estallará. Lisis de eritrocitos. Pérdida de forma bicóncava. ▪ Transporte activo El transporte activo se caracteriza porque requiere gastar energía (ATP) para lograr cruzar la membrana plasmática en contra del gradiente de concentración. Generalmente, las células que tienen una alta demanda de transporte activo tienen numerosas mitocondrias. Sus dos componentes son las bombas iónicas y el transporte vesicular: - Bombas iónicas Las bombas iónicas son grandes proteínas integrales que posen un dominio ATPasa (lugar donde es posible hidrolizar el ATP y utilizar su energía). Bombean iones en contra de su gradiente de concentración, con la función de mantener un potencial electroquímico y un P á g i n a | 78 Manuel Mallol Simmonds gradiente de concentración que permita efectuar el transporte pasivo y el transporte activo segundario (ligado al gradiente generado por bombas). La bomba más importante de conocer para la PSU (que será profundizada en el guías del Sistema Nervioso, del módulo electivo) es la bomba 3Na +/ 2K + ATPasa (Bomba sodio-potasio). Esta bomba es capaz de bombear, con gasto de ATP, 3 iones Na + al medio extracelular (donde está más concentrado) y 2 iones K + al interior de la célula (donde está más concentrado). De esa manera se mantiene el potencial eléctrico de membrana y los gradientes de concentración, especialmente del Na+, para el transporte activo secundario o cotransporte. - Transportes vesiculares Los transportes vesiculares son transportes con gasto de ATP diseñados para el transporte de grandes complejos, moléculas o gotas hacia el interior o exterior de la célula. En base a ello podemos describir: - Endocitosis: Incorporación de complejos o grandes moléculas al interior de la célula en forma de vesículas llamadas endosomas. Dependiendo del contenido de las vesículas se distingue la pinocitosis (contenido líquido) y la fagocitosis (contenido solido, como bacterias). - Exocitosis: Expulsión de vesículas desde el interior de la célula, con desechos o productos de secreción (como neurotransmisores, enzimas, etc). 79 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Otras funciones de la membrana plasmática .La membrana plasmática constituye una membrana semipermeable muy importante en la regulación de contenidos y concentraciones de solutos dentro y fuera de la célula. La generación de una diferencia de potencial eléctrico, debido a la diferencia de cargas eléctricas proporcionada por la acumulación de diferentes cationes y aniones, es un importante ejemplo de otra función de la membrana plasmática. Esta diferencia se estudiará en detalle en las guías de Sistema Nervioso. Otra función relacionada con los fosfolípidos es la transducción de señales. Hay tipos de fosfolípidos especializados en ser retirados de la membrana y transformados en moléculas que pueden desencadenar diferentes efectos en la célula. Diferencias de la membrana plasmática eucariota vegetal, animal y procariota La principal diferencia entre las membranas plasmáticas eucariota animal, eucariota vegetal y procariota es la presencia de colesterol en la eucariota animal, ergomasterol en la eucariota vegetal y la ausencia de ambos en la célula procariota. Existen diferencias también en la composición de los distintos fosfolípidos, sin embargo no es importante destacarlo para la preparación de la PSU. El increíble parecido entre las membranas celulares procariotas y eucariotas ejemplifica que todos los organismos provienen de una célula procariota común. La aparición de los esteroles de membrana en los eucariotas muestra la adaptación celular evolutiva del problema de fluidez de membrana que tienen los procariotas desprovistos de pared celular y cápsula. P á g i n a | 80 Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC El esquema representa un segmento de la membrana plasmática. Respecto a P, Q y R es correcto afirmar que: I. P está compuesto de carbono e hidrógeno II. Q tiene carga eléctrica III. R es una zona de puentes de hidrógeno k) Solo I l) Solo II m) Solo III n) Solo I y II o) I, II y III Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa d). El enunciado I es correcto, puesto que P en el esquema representa los ácidos grasos, formados por carbono e hidrógeno. El enunciado II también es correcto, porque Q en elesquema apunta hacia la cabeza polar de los fosfolípidos, formada por un grupo fosfato y glicerol, moléculas con carga. El enunciado III es incorrecto, puesto que R indica la zona de contacto entre ácidos grasos, que se mantiene estable por las fuerzas de Van der Waals. Tip PSU En la PSU, tanto en el módulo común como electivo, es posible encontrar ejercicios que relacionen transporte y composición de la membrana plasmática. Es importante estudiar bien esta guía, puesto que por lo menos garantiza tener unas cinco preguntas correctas. 81 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ejercicios Capítulo V “Membrana plasmática” 1. Marque la opción correcta: a) La membrana plasmática está compuesta por lípidos anfipáticos y proteínas, organizadas en una bicapa b) Los fosfolípidos que constituyen las membranas están compuestos siempre por ácidos grasos insaturados. c) Los fosfolípidos de membrana están orientados de forma tal que sus cabezas polares se encuentran en el interior de la bicapa. d) La composición lipídica de todas las membranas plasmáticas es la misma e) Los ácidos grasos constituyentes de los fosfolípidos de membrana son siempre saturados. 2. ¿Cuál de las siguientes aseveraciones es incorrecta? a) El colesterol ayuda a la fluidez de la bicapa lipídica b) Las membranas procariontes no poseen colesterol c) Una proteína integral puede en general moverse en la bicapa lipídica d) El colesterol no tiene utilidad celular y es dañino para la estabilidad arterial e) El colesterol que transportan las apoLDL ingresa a las células por endocitosis mediada por receptor 3. Al inocular una célula con una sustancia X, se observa al cabo de un tiempo que dicha sustancia dificulta el ingreso al medio intracelular de un compuesto químico cuya concentración extracelular es muy baja. ¿Cuál(es) de las siguientes afirmaciones podría(n) explicar correctamente el fenómeno observado? I. La sustancia X disminuye la permeabilidad de la membrana plasmática a este compuesto II. La sustancia X inhibe la síntesis de ATP III. La sustancia X es un toxico que inhibe el catabolismo IV. La sustancia X es un toxico que inhibe la respiración celular. a) Solo I b) Solo II c) I, y II d) II, III y IV e) I, II y IV 4. En un recipiente cuya capacidad volumétrica es de 1 litro se prepara una solución de cloruro de sodio (NaCl) al 1,6%. Además, se coloca una hoja de lechuga en su interior. Al cabo de un tiempo se observa que el vegetal pierde su turgencia. ¿Cuál(es) de los siguientes procesos explicaría(n) de manera más correcta lo sucedido? I. La histólisis II. Crenación III. Plasmólisis IV. Aumento de la presión de turgencia a) Solo I b) Solo III c) Solo I y II d) Solo II y III P á g i n a | 82 Manuel Mallol Simmonds e) Solo III y IV 5. ¿Cuál de las alternativas es FALSA? a) Los fosfolípidos se caracterizan por poseer un polo hidrofílico conformado por un grupo fosfato, compuesto químico inorgánico que le otorga un carácter electronegativo o electropositivo a esta molécula b) La membrana plasmática está compuesta por una bicapa lipídica en la cual están inmersas diversas proteínas que se mueven libremente hacia fuera y adentro de la célula c) Las proteínas que atraviesan de un lado a otro la membrana se llama integrales. d) Las proteínas periféricas a diferencia de las integrales son hidrosolubles e) Ninguna de las anteriores. 6. Indique la afirmación correcta con respecto a los fosfolípidos: I. Los fosfolípidos están formados por dos cadenas de ácidos grasos unidas a dos de tres carbonos de una molécula de glicerol II. Las diferencias en longitud y grado de insaturación entre las colas hidrocarbonadas son importantes porque afectan y modifican la fluidez de la membrana plasmática III. Los fosfolípidos están formados por dos cadenas de ácidos grasos insaturados a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo II y III 7. La bicapa lipídica puede comportarse como un mosaico fluido. Esto significa que: I. Una molécula de fosfolípido puede recorrer la superficie de una célula eucariota en pocos segundos II. Algunas proteínas de membrana actúan como receptores que reciben y transmiten señales químicas procedentes del entorno celular III. Puede ocurrir el desplazamiento de las moléculas que se encuentran insertas en ella sobre el plano de la membrana a) Solo I y II b) Solo I y III c) Solo II y III d) Solo III e) I, II y III 8. ¿Cuál(es) de las siguientes aseveraciones es(son) correcta(s)? I. Las membranas plasmáticas bacterianas contienen una estructura análoga al colesterol. II. Las moléculas de colesterol se acomodan entre los fosfolípidos y actúan como “reguladores de fluidez” III. La fluidez de las membranas celulares no es biológicamente importante IV. Algunas proteínas actúan como eslabones estructurales que relacionan la membrana plasmática al citoesqueleto 83 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) Solo I y II b) Solo I, II y III c) Solo I, II y IV d) Solo II y IV e) I, II, III y IV 9. ¿Cuáles de las siguientes sustancias atraviesan más fácilmente una membrana plasmática? a) Iones positivos b) Aniones c) Moléculas orgánicas pequeñas liposolubles d) Moléculas orgánicas pequeñas orgánicas hidrosolubles e) Moléculas grandes 10. Con respecto al concepto de difusión es verdadero que: I. Es el movimiento neto de partículas de una región de alta concentración a una de concentración más baja II. Es el movimiento neto de partículas de una región de baja concentración a una de concentración más alta. III. Implica el movimiento neto de partículas a favor de un gradiente de concentración IV. Implica el movimiento neto de partículas en contra de un gradiente de concentración. a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y III e) Solo II y IV 11. Cuando entra o sale agua de una célula ¿Cuál(es) es(son) el(los) proceso(s) involucrado(s)? I. Pinocitosis II. Difusión III. Bombas ionicas IV. Osmosis a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo II y IV e) Solo III y IV 12. Si un eritrocito es separado del plasma y puesto en un medio hipertónico, ¿Qué proceso sufre? a) Plasmólisis b) Diálisis c) Crenación d) Se hincha e) No se puede determinar P á g i n a | 84 Manuel Mallol Simmonds 13. Con respecto a la bomba Na/K ATPasa, señale la(s) alternativa(s) correcta(s): I. La bomba es electrogénica II. 2 iones Na+ son bombeados hacia el exterior por cada 3K+ que entran III. Las células nerviosas utilizan aproximadamente el 70% de su energía en el funcionamiento de este sistema de transporte. a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo I y III 1 2 3 4 5 6 A D E B E D 7 8 9 10 11 12 B D C D D C 13 E 85 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Una de las más grandes maravillas de la evolución consiste en la capacidad para generar energía celular de una manera altamente eficiente. Esta ventaja provee a los organismos capaces de utilizar el oxígeno en este proceso (aeróbicos) de una maquinaria productora de ATP que no se detiene jamás en la vida de la célula, otorgando grandes cantidades de ATP en un proceso dividido en etapas conocidas en conjunto como la respiración celular. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl C p . V I – C a ta b o li sm o c e lu la r E u ca ri o ta M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 86 Manuel Mallol Simmonds La célula III – Catabolismo celular eucarionteHemos descrito en guías anteriores la morfología y función de muchos componentes celulares, como organelos y la membrana plasmática. En esta guía (y la siguiente) analizaremos dos organelos dejados en el tintero: las mitocondrias y los cloroplastos. Un importante tema para la comprensión de la dinámica celular es ¿De dónde proviene la energía? ¿Qué se necesita y cómo se obtiene? A lo largo de esta guía intentaremos dar algunas respuestas a dichas preguntas. El metabolismo celular Se define como metabolismo al conjunto de reacciones bioquímicas que permiten a la célula vivir. Existen dos grupos de reacciones pertenecientes al metabolismo celular: - Catabolismo: Degradación de grandes moléculas hasta sus constituyentes. - Anabolismo: Síntesis de biomoléculas desde moléculas monoméricas Así, las reacciones para obtener energía celular en forma de ATP son consideradas catabólicas, pues degradan glucosa, ácidos grasos o aminoácidos (moléculas grandes) para convertirlas en ATP (una molécula relativamente pequeña y simple). El ATP o Adenosin Trifosfato es una molécula formada por la base nitrogenada Adenina, una ribosa y tres grupos fosfato. El enlace que existe entre el segundo y tercer grupo fosfato almacena una gran cantidad de energía. Es por eso que las enzimas que utilizan ATP (ATPasas) “rompen” este enlace para liberar su energía. La naturaleza concibió al ATP como la moneda energética básicamente porque es muy estable, es pequeña y puede ser estabilizada para poder controlar su transporte y uso mejor. Además su hidrólisis por ATPasas no libera moléculas tóxicas para la célula, sino que libera ADP (adenosin difosfato) y Pi (Pirofosfato inorgánico), los productos necesarios para su síntesis. Aunque se verá en guías ulteriores, la diferencia entre el metabolismo eucariota y procariota es la abundancia de organelos participantes en la formación de ATP, proporcional a la demanda energética. La diferencia entre el catabolismo vegetal y animal no existe. El metabolismo es diferente dependiendo si se utiliza oxígeno (metabolismo aeróbico, prácticamente todos los seres vivos salvo las Archaebacterias y procariotas anaeróbicos) o si utilizan otro aceptor de electrones, como azufre, proceso llamado metabolismo anaeróbico (sin oxigeno) A continuación se describirá el organelo principal encargado de la producción eficiente de ATP: Las mitocondrias. Las mitocondrias Las mitocondrias son organelos eucariotas encargados de producir ATP de manera eficiente (en presencia de O2). Para cumplir esta función poseen una estructura característica constituida por: - Membrana externa: Lugar donde existen receptores y transportadores especializados. 87 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds - Espacio intermembrana: Lugar donde se encuentra la Piruvato deshidrogenasa, enzima encargada de llevar a cabo la acetilación de la Coenzima A, un punto clave en la producción efectiva de ATP. - Membrana interna: Forma pliegues llamados crestas mitocondriales. En esta membrana esta incrustada la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. - Matriz mitocondrial: Es el espacio más interno de la mitocondria. Posee una batería enzimática para el ciclo de Krebs, así como un par de copias de DNA circular propio de la mitocondria, RNAs, etc. Hasta hace pocos años se pensaba que todas las mitocondrias de un organismo provienen de la madre. Si bien el porcentaje es muy alto (aprox. 99%), no es total. Se han encontrado enfermedades mitocondriales heredadas por padres, aunque los casos son muy pocos. La estructura de la mitocondria, así como su DNA, recuerda mucho a una célula procariota aeróbica. Se cree que el origen de estos organelos es por endosimbiosis serial. Descrita la estructura de las mitocondrias, comenzaremos con la descripción de la producción de energía en la célula eucariota por la rama común, es decir, por la oxidación de la glucosa, mejor conocida como respiración celular. La respiración celular consiste en una serie de pasos mediados por enzimas para convertir una molécula de glucosa a cierto número de moléculas de ATP. Posee cuatro etapas, las cuales son: 1. Glucólisis 2. Acetilación de la CoA 3. Ciclo de Krebs 4. Fosforilación oxidativa P á g i n a | 88 Manuel Mallol Simmonds Respiración celular Paso 1: La glucólisis La glucólisis (<gluco> azúcar; <lisis> ruptura: Ruptura del azúcar) es el primer paso por el que la glucosa se ve metabolizada para extraer su energía. Está compuesta por diez reacciones bioquímicas, separadas en una primera fase de costos y una segunda fase de ganancias. El objetivo de esta etapa es generar dos moles de acido pirúvico (o piruvato) a partir de un mol de glucosa. El ácido pirúvico será el encargado de transmitir la energía de la glucosa a las etapas siguientes. Para la PSU no estudiaremos las diez reacciones ni sus intermediarios, solo nos interesa el producto inicial y final de esta etapa, así como los productos secundarios liberados. La reacción bioquímica global de la glucólisis es: 89 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Glucosa + 2ATP 4ATP + 2Piruvato + 2NADH Entonces, el rendimiento neto de la glucólisis es, por mol de glucosa: - ATP neto: 2 moléculas (se produjeron cuatro pero se gastaron dos) - Se libero NADH (Nicotinamida adenina dinucleotido reducido) - Se produjeron dos moléculas de piruvato Una de las moléculas citadas no había sido nombrada, y es porque no es tópico de la PSU salvo para esta guía. El NADH es un tipo de molécula de la familia de poderes reductores. Haciendo una analogía para facilitar su comprensión, los poderes reductores (NADH y FADH2) son fichas de un casino intercambiables por cierta cantidad de dinero. En etapas siguientes se expondrá que el objetivo de las etapas que siguen es generar la mayor cantidad de poder reductor posible, para intercambiarlo por cierta cantidad de ATP al final. La glucólisis no requiere oxigeno, por lo que puede ser realizada por cualquier organismo, sea eucariota o procariota, aeróbico o anaeróbico. La única diferencia entre ellos es el destino del piruvato, que se verá en la próxima guía. Respiración celular Paso 2: La acetilación de la Coenzima A Es ahora donde las mitocondrias cobran un rol central en la producción eficiente de ATP. En esta etapa el piruvato entra a las mitocondrias, donde en el espacio intermembrana es metabolizado por un complejo enzimático llamado Piruvato deshidrogenasa, formando una molecula de Acetil Coenzima-A por mol de piruvato. Por mol de glucosa se forman dos moles de acetil-CoA. NO SE PRODUCE ATP EN ESTA ETAPA. Los productos secundarios de este paso son dos moléculas de NADH. Entonces, el rendimiento neto de la acetilación de la CoA es, por mol de glucosa: - 2 moles de acetil – CoA - 2 moles de NADH Respiración celular Paso 3: El ciclo de Krebs El acetil CoA ingresa a la matriz mitocondrial a través de transportadores específicos, donde se integra a una cadena de nueve reacciones bioquímicas llamada el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, también conocido como el ciclo de Krebs. Al igual que la glucólisis, no detallaremos las reacciones pertenecientes al ciclo, porque no serán preguntadas en la PSU. Sin embargo, es importante saber que el lugar donde el acetil-CoA se incorpora es reaccionando con una molecula llamada oxalacetato para formar citrato. Luego el citrato pasa por una serie de reacciones, volviendo nuevamente a convertirse en oxalacetato. Este punto del catabolismo es común entre el uso de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos como fuente de energía. Cada uno se integra en un punto especial del ciclo. El objetivo neto del ciclo de Krebs no es generar ATP, sino que es generar una cantidad considerable de poder reductor. P á g i n a | 90 Manuel Mallol SimmondsDe esa manera, el rendimiento neto del ciclo de Krebs por mol de piruvato (para considerar el mol de glucosa hay que multiplicar todo por dos) - Producción de una molécula de ATP (en forma de GTP) - Producción de 3 moléculas de NADH - Producción de una molécula de FADH2 - Liberación de CO2 Respiración celular Paso 4: La fosforilación oxidativa y cadena respiratoria Finalmente es tiempo de intercambiar todo el poder reductor producido en las tres etapas anteriores por ATP. La fosforilación oxidativa se define como la etapa en la cual, con la energía otorgada por los poderes reductores, se sintetiza la mayor cantidad de ATP de todo el proceso. Esta etapa ocurre en la membrana interna de la mitocondria, y está a cargo de unas proteínas especiales llamadas citocromos, conformantes de la cadena transportadora de 91 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds electrones mitocondrial. Existen cuatro complejos citocromo, cada uno con una estructura y función particular, que no profundizaremos en esta guía. Lo que se debe comprender en este proceso es el concepto de energía protón-motriz, necesaria para la síntesis de ATP. La función de la cadena transportadora de electrones es aumentar la cantidad de protones (H + ) en el espacio intermembrana, aumentando el gradiente electroquímico del mismo. Ese gradiente eléctrico y potencial es utilizado por una enzima llamada ATP sintasa (complejo V), que utiliza tres protones, bombeándolos a la matriz mitocondrial, para general la energía necesaria para transformar el ADP y el Pi en ATP. Lo que realizan los poderes reductores es entregar electrones a la cadena, otorgando la energía necesaria para generar cierto número de moléculas de ATP. En etapas, el transporte de realiza de la siguiente manera: 5. Entrega de electrones al primer complejo de parte del poder reductor. Bombeo de protones al espacio intermembrana 6. Entrega de electrones al segundo complejo desde el primero. Bombeo de protones al espacio intermembrana. 7. Entrega de electrones al tercer complejo desde el segundo. Bombeo de protones al espacio intermembrana. 8. Entrega de electrones al cuarto complejo desde el tercero. Bombeo de protones al espacio intermembrana. Captación por parte del O2 de los electrones transportados, formando H2O. 9. Síntesis de ATP por parte de la ATP sintasa. Cada NADH aporta la energía suficiente para formar 3 moles de ATP (en realidad son 2,5) Cada FADH2 aporta la energía suficiente para formar 2 moles de ATP (en realidad son 1,5) En resumen, el rendimiento neto de la fosforilación oxidativa es, por mol de glucosa: - Síntesis de 30 moléculas de ATP - Liberación de agua P á g i n a | 92 Manuel Mallol Simmonds Recuento final y resumen En la siguiente tabla se expone la cantidad producida de cada elemento a lo largo de la oxidación de la glucosa, por mol de la misma: Elemento Glucólisis Acetilación de la CoA Ciclo de Krebs Fosforilación oxidativa SUMA TOTAL CO2 0 Si Si 0 H2O 0 0 0 2 moles 2 moles NADH 2 moles 2 moles 6 moles 0 10 moles FADH2 0 0 2 moles 0 2 moles ATP 2 moles 0 2 moles 34 moles 38 moles Piruvato 2 moles 0 0 0 2 moles Ha quedado evidenciado que la incorporación de las mitocondrias como entes productores de energía celular tornó mucho más eficiente dicho proceso que en las bacterias fermentadoras (donde solo se producen dos moles de ATP). Curiosidades… Cabe señalar que es posible encontrar este tipo de producción de energía en algunas bacterias, donde los componentes de las mitocondrias se encuentran libres en el citoplasma o incrustados en la membrana plasmática. En este proceso pueden haber diferencias mínimas entre diferentes tipos de células eucariotas, como las neuronas, sin embargo no es tópico de la PSU. ¿Sabías que el corazón consume un promedo de 6Kgs (Kilogramos) de ATP al día? 93 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC ¿Cuál de las siguientes opciones establece correctamente la relación entre una de las etapas de la respiración celular y el lugar donde se realiza? p) Glicólisis – matriz mitocondrial q) Fosforilación oxidativa – citoplasma. r) Formación de acetil CoA – citoplasma s) Fosforilación oxidativa – matriz mitocondrial. t) Síntesis de ATP – membrana mitocondrial interna Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa e). La alternativa a) es incorrecta, puesto que la glucólisis ocurre en el citoplasma. La alternativa b) también es incorrecta, puesto que la Fosforilación oxidativa ocurre en la membrana interna de las mitocondrias. La alternativa c) es incorrecta, puesto que la formación de acetil CoA ocurre en el espacio intermembrana de las mitocondrias. La alternativa d) es incorrecta, dado que en ese lugar ocurre el ciclo de Krebs. Finalmente la e) es correcta debido a que en la membrana mitocondrial interna se encuentra la ATP sintasa, la enzima encargada de la síntesis de ATP. Tip PSU Lo importante para la PSU sobre esta guía es saber en qué etapas se produce ATP y en cuanta cantidad. También se debe comprender la diferencia entre usar oxigeno y la que existe entre procariotas aeróbicas y eucariotas. Ejercicios Capítulo VI “Catabolismo celular eucariota” 1. ¿Cuál(es) de las siguientes aseveraciones es(son) correcta(s)? I. Al final de la glucólisis el rendimiento neto es de 2 ATP, 2 moléculas de piruvato y 2 NADH II. En la etapa siguiente a la glucólisis, el acido pirúvico se convierte en acetil-CoA III. Respiración celular implica necesariamente la presencia de O2 y mitocondrias a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y III e) I, II y III 2. De la respiración celular es CORRECTO afirmar que: I. La síntesis de ATP durante la glucólisis no requiere de la presencia de organelos. II. Durante el ciclo de los ácidos tricarboxílicos se genera suficiente poder reductor para generar en la etapa siguiente 22 ATP. III. En condiciones anaeróbicas los eucariontes son incapaces de generar ATP P á g i n a | 94 Manuel Mallol Simmonds a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo II y III 3. La respiración celular es un proceso vital para un organismo en general y una célula en particular, ya que a partir de ella: I. Se obtiene una gran cantidad de energía II. Se transforma el CO2 en carbohidratos. III. Se puede sintetizar glucosa, que es útil para el organismo IV. Se degrada piruvato que es dañino para la célula a) Solo I b) Solo II c) Solo I y IV d) Solo I, II y III e) Solo I, III y IV 4. Una célula que es metabólicamente muy activa contiene siempre: a) Un gran número de mitocondrias b) Numerosos cilios y flagelos para movilizarse c) Mucho retículo endoplasmático rugoso d) Más de un núcleo e) Todas las anteriores 5. La formación de ATP en la mitocondria ocurre en: a) Membrana interna b) Matriz mitocondrial c) Espacio intermembrana d) Membrana externa e) Ninguna de las anteriores 6. ¿Cuál de las sustancias que se nombran es producto del ciclo de Krebs? a) NAD + b) FADH2 c) Acetil-CoA d) Acido cítrico e) Piruvato 7. Las reacciones oxidativas del ciclo de Krebs tienen lugar en: a) La membrana externa de la mitocondria b) La matriz mitocondrial c) El espacio intermembrana d) La membrana interna mitocondrial e) Los cloroplastos 8. En la cadena transportadora de electrones el componente que tiene la energía potencial más baja, y por lo tanto será el aceptor final de electrones es: 95 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) NAD + b) FAD c) ADP d) Citocromos e) Oxigeno 9. Si un cultivo celular se pone en un medio con una sustancia que inhibe la función de la membrana interna de la mitocondria, ocurriría:a) Enlentecimiento del ciclo de Krebs b) Inhibición de la cadena transportadora de electrones c) Formación de ATP d) Formación de exceso de acetil CoA e) Ninguna de las anteriores 10. Si agrego un inhibidor irreversible de la enzima malato deshidrogenasa, la cantidad de ATP que la célula producirá a través de la respiración celular corresponde a: a) 2 b) 4 c) 14 d) 30 e) 34 1 2 3 4 5 6 E A C A B B 7 8 9 10 D E B C P á g i n a | 96 Manuel Mallol Simmonds C p . V II – C a ta b o li sm o c e lu la r p ro ca ri o ta y A n a b o li sm o M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io No solo las células eucariotas animales son capaces de realizar la generación de ATP; las células eucariotas vegetales realizan las mismas cuatro etapas y las células procariotas, dependiendo de su naturaleza aeróbica o anaeróbica, pueden realizar las cuatro etapas de la respiración celular o la fermentación. Por otra parte, los organismos productores son capaces de utilizar la energía del sol para formar nutrientes de novo, que son utilizados por los consumidores de un nivel más elevado. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 97 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo VII – Catabolismo procarionte y anabolismo Ya sabemos acerca de la morfología celular y producción de ATP de las células eucariotas y una reseña por las procariotas. En este capítulo analizaremos un poco más las formas de producción de energía de las células procariotas y los eritrocitos. También concluiremos el metabolismo celular con algo infaltable: El anabolismo y la fotosíntesis. Otras vías de producción de ATP en condiciones aeróbicas Como se mencionó en la guía anterior, existen otras vías por las cuales una célula eucariota puede generar ATP. Una de ellas consiste en la β-oxidación de los ácidos grasos. Se nombró en la guía de biomoléculas que el tejido adiposo es tanto un aislante termomecánico como una gran reserva energética. Aquella última característica se debe al gran aporte de ATP que se obtiene por el catabolismo de ácidos grasos. Esta forma se presenta solo cuando el aporte de glucosa es insuficiente, la cual se destina principalmente al tejido nervioso (que es incapaz de utilizar otras vías catabólicas). Un mol de ácidos grasos (aunque es variable según el largo de la cadena hidrocarbonada) puede generar entre 106 y 108 moles de ATP. Eso es más del doble de lo que se obtiene por el catabolismo de la glucosa. La forma en la que la energía de los ácidos grasos se obtiene es por medio de una serie de reacciones encabezadas por la enzima acil-CoA deshidrogenasa. Luego de estos pasos sucesivas moléculas de Acetil-CoA son liberadas para integrarse al ciclo de Krebs. Otra forma de generar energía es a través de la desaminación oxidativa de aminoácidos. Sin embargo, el organismo evita al máximo realizar esta vía, debido a que las proteínas son una de las biomoléculas más importantes para la función integral (canales, transportadores, citoesqueleto, músculos, pigmentos, enzimas, etc). Cuando los aminoácidos son excesivos en la dieta, el organismo los degrada para formar urea ó los consume en la oxidación de aminoácidos para formar ATP. Este proceso se caracteriza por la pérdida del grupo amino de los aminoácidos (desaminación) y la modificación sucesiva hasta formar moléculas de Acetil-CoA, oxalacetato, α- cetoglutarato o succinil-CoA, dependiendo de la necesitad de componentes que requiera el ciclo de Krebs (revisar la guía anterior). El rendimiento de un mol de aminoácido es similar a un mol de piruvato (cerca de 18 moles de ATP). Formación de ATP en condiciones anaeróbicas Se citó en la guía anterior que el único paso de la respiración celular que comparten procariotas anaeróbicos y eucariotas es la glucólisis, puesto que no requiere oxígeno para ocurrir. Sin embargo, la diferencia con los eucariotas y procariotas aerobios es que los procariotas anaerobios carecen de la cadena transportadora de electrones, por lo que no pueden realizar la fosforilación oxidativa, con el consiguiente menor rendimiento en la producción de ATP. ¿Cómo obtienen ATP los procariotas anaeróbicos? Solamente pueden generar ATP a través de la glucólisis, por lo que el rendimiento neto de la pr P á g i n a | 98 Manuel Mallol Simmonds oducción de ATP en un procariota anaeróbico es de 2 moles de ATP por mol de glucosa. Sin embargo, los procariotas anaerobios han desarrollado diferentes vías metabólicas con las que pueden utilizar diferentes elementos del medio que los rodea, como proteínas y otros glúcidos como la lactosa. Cuando no se tiene suficiente oxígeno (como el caso del músculo estriado durante un ejercicio intenso) o no se tiene la maquinaria enzimática oxidativa para seguir el proceso típico eucarionte (p. ej. organismos fermentadores, como las levaduras, y eritrocitos) el piruvato es degradado en otros productos. Este proceso es llamado fermentación. El piruvato es inestable y relativamente tóxico para la célula, por lo que debe ser transformado en otra molécula más estable. Dependiendo del tipo de organismo, existen las siguientes fermentaciones: - Fermentación alcohólica: El piruvato es degradado hasta formar etanol. La llevan a cabo muchas levaduras. Esta fermentación se utiliza para los destilados y para la confección del pan. - Fermentación láctica: El piruvato es degradado hasta formar acido láctico. Es llevada a cabo en los eritrocitos, en los músculos estriados durante un ejercicio intenso y por algunas bacterias. - Fermentación butírica: El piruvato es degradado hasta formar acido butírico. Es realizada por la bacteria Clostridium butyricum. - Fermentación acética: El piruvato es degradado hasta formar acido acético. Es característica de las acetobacterias. Este es el principio de fabricación del vinagre. OXIDACION POSTERIOR 99 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El anabolismo El otro conjunto de reacciones que conforman el metabolismo son las reacciones de biosíntesis o anabólicas, en las cuales se forman moléculas complejas (DNA, RNAs, Polisacáridos, Polipéptidos, etc) a partir de moléculas simples, con gasto de ATP. En el metabolismo, al mismo tiempo que se va produciendo ATP se van produciendo nuevamente biomoléculas complejas. El catabolismo y anabolismo actúan siempre de manera coordinada, para que no sobre y falte ATP. Todos los organismos llevan a cabo reacciones anabólicas, sin embargo solo algunos tipos pueden sintetizar de novo moléculas como glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos. Estos organismos son llamados productores, puesto que ellos proveen de estos nutrientes a todo el resto de los seres vivos: - Las cianobacterias - Las células vegetales - Algunos protozoos El proceso mediante el cual se puede convertir la luz (energía lumínica) en energía química (sacáridos, proteínas y ácidos grasos) es llamado fotosíntesis, y se lleva a cabo en unos organelos especializados presente en las células eucariotas vegetales llamados cloroplastos. En las cianobacterias el contenido de los cloroplastos se encuentra en su membrana plasmática. Los cloroplastos Los cloroplastos son organelos de doble membrana presente solo en las células vegetales. Se cree que se originaron de la misma manera que las mitocondrias: por endosimbiosis serial de una cianobacteria primitiva. P á g i n a | 100 Manuel Mallol Simmonds Las estructuras que posee son: - Membrana externa: Posee transportadores específicos. - Membrana interna: Esta ligada a los transportadores que posee la membranaexterna - Espacio intermembrana: Es muy pequeño. Alberga algunas enzimas para extraer productos ya sintetizados. - Membrana tilacoidal: Es la membrana del tilacoide. En ella se encuentra la cadena transportadora de electrones y las clorofilas. - Estroma: Fluido interno entre la membrana tilacoidal y la membrana interna. - Tilacoide: Estructura similar a una moneda donde ocurre la fotosíntesis dependiente de la luz. - Grana: Estructura como “monedas apiladas” (tilacoides apilados). - Ribosomas 70S - DNA circular - Gotitas de productos: Lípidos y almidón en general. Luego estos productos son transportados a otros plástidos específicos (como los oleoplastos y leucoplastos respectivamente). Cloroplasto. (1) Membrana externa, (2) Espacio intermembrana, (3) Membrana interna, (4) Estroma, (5) Tilacoide, (6) Membrana tilacoidal, (7) Grana, (8) Tilacoide, (9) Granulo de almidón, (10) Ribosomas, (11) DNA plastídeo, (12) Gotita de lípido. Generalidades de la Fotosíntesis La fotosíntesis se define como la síntesis de carbohidratos, lípidos y proteínas utilizando CO2, Luz y ATP para ello. Se considera dentro de las reacciones anabólicas y solo la pueden realizar las cianobacterias, las plantas y algunos protistas. Gracias a esa característica se les considera organismos autótrofos (capaces de generar su propio alimento) y organismos productores (la base de la pirámide de energía, desde la cual los organismos heterótrofos obtienen los nutrientes que ellos sintetizan). Para lograr comprender el proceso de la fotosíntesis, debemos hacer un pequeño recuerdo de las propiedades físicas de la luz, para luego comentar las características de una molécula muy especial: La clorofila. 101 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Propiedades físicas de la luz La luz es un ente físico con un comportamiento dual: de onda electromagnética y de partícula. La luz blanca que llega al planeta tierra está compuesta por un espectro llamado “espectro de la luz visible”, compuesto por colores que oscilan su percepción visual dependiendo de su longitud de onda (λ) medida en nanómetros (nm). La fotosíntesis se aprovecha de la energía que llevan los fotones, las partículas componentes de la luz. Como la luz fue primero que la vida, los seres vivos capaces de realizar la fotosíntesis adecuaron sus sistemas para captar la mayor cantidad de longitudes de onda favorable para el rendimiento del proceso. Debido a fenómenos que se desconocen hoy en día, las longitudes de onda menos efectivas para la fotosíntesis corresponden a las cercanas a 550nm, o sea, al verde. Es por ello que en general las plantas y las colonias de cianobacterias tienen un color verde, pues reflejan esta longitud de onda y nuestros ojos pueden captarlo. ▪ La clorofila La clorofila es un pigmento verde que se encuentra en todos los organismos fotosintetizadores, debido a que su presencia es fundamental para realizar dicho proceso. Químicamente es una proteína portadora de un anillo de porfirina con un átomo de magnesio en el centro, el cual es capaz de desprender electrones cuando eleva su nivel de energía. Este pigmento es el encargado de captar los fotones provenientes de la luz y elevar el nivel de energía de los electrones del magnesio, desprendiéndolos e iniciando el proceso de la cadena transportadora de electrones. P á g i n a | 102 Manuel Mallol Simmonds Molécula de clorofila. Se comentó que la clorofila responde muy eficientemente a las longitudes de onda cercanas al azul y al rojo, pero a las intermedias (verde) no, por lo que refleja esa longitud. Existen diferentes clases de clorofila, dependiendo de su estructura química: - Clorofila a: Presente en casi todas las plantas en sus fotosistemas. - Clorofila b: Presente en plantas, algas multicelulares y cianobacterias. - Clorofila c y d: Presente en fotosintetizadores protistas. 103 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Existen diferentes pigmentos, como la ficoeritrina, la Ficocianina y el B-Caroteno, que se encargan de captar las longitudes de onda que las clorofilas no pueden captar. De esa manera el proceso de fotosíntesis es aún más eficiente. Sin embargo, pese a que existen pigmentos para utilizar el verde, el tanta la abundancia de la clorofila que mucha de esta longitud de onda es reflejada. ▪ Los fotosistemas Se define como fotosistema un complejo proteico enlazado a una molécula de clorofila, el cual es capaz de captar fotones e iniciar la cascada de eventos vinculados al transporte de electrones. Se encuentran insertos en la membrana de los tilacoides Existen dos fotosistemas: - El PSII, P680 o fotosistema II, en el cual ocurre la fotólisis del agua. - El PSI, P700 o fotosistema I, donde se propaga la energía para producir NADPH. P á g i n a | 104 Manuel Mallol Simmonds La fotosíntesis dependiente de la luz Ahora que ya se han mencionado los conceptos necesarios de entender para comprender la fotosíntesis, es hora de analizar el proceso como tal. La fotosíntesis está dividida en dos procesos diferentes, uno dependiente de la luz y otro independiente de la luz (ciclo de Calvin o Calvin-Benson). Antes se les llamaba “fotosíntesis clara y oscura”, debido a que se creía que la fase independiente de la luz no podía ocurrir de día. Hoy en día se sabe que eso no es así, y que incluso ambas fases pueden estar ocurriendo al mismo tiempo. Los objetivos de la fotosíntesis dependiente de la luz son generar ATP y NADPH, los cuales serán utilizados en las fases tardías de la fotosíntesis independiente de la luz. Como producto de desecho se produce O2. Las etapas de la fotosíntesis dependiente de la luz son las siguientes: 1. Un fotón impacta la clorofila del PSII, haciendo que el átomo de magnesio eleve su nivel de energía y dos de sus electrones “salten” hacia la cadena transportadora de electrones adyacente. Al mismo tiempo, una molécula de agua es fotolisada para reponer los electrones perdidos por el magnesio. A causa de eso se libera O2 y H + . 2. Los electrones van avanzando por la cadena transportadora de electrones, llegando a una proteína llamada plastoquinona. 3. La plastoquinona cede los electrones a un complejo citocromo, para luego cederlos a una proteína llamada plastoquinina (o plastocinina). 4. Al mismo tiempo que un fotón impactaba el PSII, otro impactaba el PSI, de manera que el PSI estaba carente de dos electrones. La plastoquinina cede los electrones transportados y restaura el equilibrio del PSI 105 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 5. Los electrones del PSI saltan hacia otra cadena transportadora, concluyendo con la formación de NADPH. 6. Debido a la fuerza protón-motriz acumulada al interior del tilacoide (causada por la fotolisis continua del agua) la ATP sintasa de la membrana tilacoidal sintetiza ATP hacia el estroma. En resumen, la fotosíntesis dependiente de la luz prepara los componentes necesarios para que la fotosíntesis independiente de la luz ocurra. De todas maneras esto no significa que una tenga que ocurrir antes de otra. Curiosidades… Fotosíntesis independiente de la luz: Ciclo de Calvin La fotosíntesis independiente de la luz es el momento clave del metabolismo anabólico, debido a que desde aquí se forman los precursores de las moléculas orgánicas. ¿Sabías que se consumen aprox. 10.000 toneladas de O2 por segundo en el planeta Tierra? P á g i n a | 106 Manuel Mallol Simmonds A diferencia de la fotosíntesis dependiente de la luz, la fotosíntesis independiente de la luz se define como un ciclo especial y breve, llamado el ciclo de fijación del Carbono o Ciclo de Calvin. Existe una enzima que es esencial en el desarrollo de este ciclo, que es llamada RUBISCO, debidoa su extenso nombre (Ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa/oxidasa) Las etapas del ciclo de Calvin son las siguientes: 1. Fijación de la ribulosa 1,5 bifosfato, una pentosa, con CO2, formando 3- fosfoglicerato. 2. El 3 fosfoglicerato es fosforilado gracias al ATP y reducido por el NADPH, formando 3-fosfogliceraldehido, mejor conocido como PGAL. 3. El PGAL puede ser convertido en moléculas orgánicas como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. Sin embargo una parte del PGAL se utiliza para reponer la ribulosa 1,5 bifosfato. Así, a modo de resumen y conteo final, podemos observar la siguiente tabla: Elemento Fotosíntesis fotodependiente Fotosíntesis fotoindependiente CO2 0 Lo utiliza O2 Se libera 0 NADPH 1 mol x fotón Lo utiliza PGAL 0 Lo produce ATP 1 mol por fotón Lo utiliza 107 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Finalmente, la fotosíntesis es un magnífico ejemplo de cómo las plantas fueron los primeros organismos pluricelulares en aparecer, puesto que desarrollaron una eficaz maquinaria con la que pueden producir su propio alimento. Se cree que esto fue porque no tenían otro organismo al cual consumir. El rol de las plantas como organismos productores se estudiará en profundidad en el capítulo Ecología I. Ejemplo de ejercicio PSU: MC Considere la siguiente ecuación de asimilación de CO2 por las plantas. La incógnita corresponde a: u) Agua. v) Proteínas. w) Enzimas x) Temperatura y) Luz. Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa a). En esta pregunta no es necesario analizar cada alternativa, sino que debemos analizar la ecuación planteada. Nos dicen que CO2 más una cierta cantidad de energía formará glucosa y oxígeno. Sabemos que la fotosíntesis independiente de la luz produce glucosa utilizando ATP y CO2. El oxígeno se produce en la fotosíntesis dependiente de la luz a causa de la fotolisis del agua, de manera que si no hay agua en la reacción, no habría suficiente oxígeno para formar glucosa y oxigeno gaseoso. Tip PSU Debes comprender la relación entre ambas etapas de la fotosíntesis, lo que significa evolutivamente el desarrollo de mecanismos autótrofos y recordar que las plantas no son las únicas que la realizan, sino también las cianobacterias, algas y algunos protozoos. Ejercicios capítulo VII “Catabolismo procariota y anabolismo” 1. El cloroplasto es un organelo fotosintetizador de doble membrana que: I. Contiene ADN circular II. Se autorreplica III. Presenta crestas en la membrana interna a) Solo I b) Solo II c) Solo III P á g i n a | 108 Manuel Mallol Simmonds d) Solo I y II e) Solo I y III 2. La fotosíntesis es un proceso que realiza el vegetal con ayuda de luz y otros elementos. Señale la alternativa FALSA relacionada con dicho proceso: a) Permite la alimentación del vegetal a partir de materia inorgánica b) Es considerado como proceso anabólico c) La captación de la luz utilizada se realiza en los tilacoides d) A medida que se realiza se produce ATP, por lo tanto la célula vegetal puede carecer de mitocondrias e) Es fundamental la presencia de CO2 para sintetizar glucosa. 3. El oxigeno liberado por el vegetal durante la etapa fotodependiente de la fotosíntesis proviene directamente de: a) La descomposición del CO2 incorporado b) El metabolismo que sufre la glucosa una vez formada c) La fotolisis del agua absorbida por el vegetal d) La descomposición de la clorofila e) Una reacción que aun no se determina claramente 4. La fotosíntesis consta de 2 etapas. En la primera (dependiente de la luz) se genera(n) el (los) siguiente(s) compuesto(s): a) Glucosa b) NADH c) ATP d) NADPH e) C y D son correctas 5. El rol del agua en la fotosíntesis es: I. Mantener un ambiente húmedo para que ocurran adecuadamente las reacciones. II. Regenerar el par de electrones en el fotosistema II, que “saltan” a un nivel de mayor energía. III. Aceptar los electrones que provienen del fotosistema I y así formar oxigeno. a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo I y III 6. Las plantas obtienen CO2 del aire a través de los estomas de sus hijas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como ciclo de Calvin. ¿Cuál(es) de las sustancias que se nombran es(son) producto(s) de ese ciclo? I. Ribulosa II. PGAL III. Glucosa IV. Aminoácidos V. NADPH 109 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) Solo I y II b) Solo II y III c) Solo III, IV y V d) Solo I, II y III e) Solo II, III, IV y V 7. En la fotosíntesis, una vez que se ha excitado la clorofila: I. Se genera O2 debido a la fotolisis del agua II. Se forman moléculas de ATP III. Se activa una cadena transportadora de electrones IV. Se forman moléculas de NADPH a) Solo III b) Solo I y IV c) Solo II y III d) Solo I, III y IV e) Todas las anteriores 8. Las longitudes de onda más favorables para la fotosíntesis están en el rango correspondiente al color: a) Rojo b) Azul c) Verde d) A y B son correctas e) B y C son correctas 9. Si se iluminan dos plantas, la primera con luz blanca y la otra con luz verde, la segunda crece menos porque: a) La fotosíntesis es muy poco eficiente b) Se inhibe la respiración celular c) Se inhibe la división celular d) El ciclo de Calvin produce solo carbohidratos e) Aumenta la fotorrespiración 10. ¿Para cual de los siguientes procesos metabólicos es esencial el oxigeno? a) Respiración celular b) Fermentación láctica c) Glucolisis d) Fotosíntesis e) Glucolisis y respiración 11. Es correcto afirmar de la fotosíntesis y la respiración celular lo siguiente: a) Son procesos energéticos exergónicos. b) Son procesos energéticos endergónicos c) En ambos casos se genera poder reductor d) Ambos son procesos catabólicos e) Ocurren en todas las células con mitocondrias. P á g i n a | 110 Manuel Mallol Simmonds 12. Entre las diferencias que presentan los procesos de fotosíntesis y respiración celular se encuentran: a) La fotosíntesis es exergónica y la respiración es endergónica b) En la respiración se libera oxigeno y en la fotosíntesis se degrada glucosa c) La respiración celular es un proceso catabólico y la fotosíntesis es anabólico d) La fotosíntesis se realiza solo en células vegetales y la respiración solo en animales e) La fotosíntesis es un proceso activo, mientras que la respiración es pasivo. 1 2 3 4 5 6 D D C E D A 7 8 9 10 11 12 E B A A C C 111 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds C p . V II I – C ic lo c e lu la r M an u el M al lo l S im m o n d s II M e d io Una de las características esenciales de la célula que le permite al organismo crecer, desarrollarse, recuperarse e intercambiar células viejas es el ciclo celular mitótico. Existe otro ciclo celular que solo realizan las células que participarán en la formación de nuevos individuos: el ciclo celular meiótico. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 112 Manuel Mallol Simmonds Capítulo VIII – Ciclo celular Hemos estudiado el interior de los componentes celulares, su organización en organelos, las diferentes funciones y formas de vida de las células, hemos visto como son capaces de producir energía desde moléculas complejas y producir moléculas complejas con gasto de energía. En este último capítulo de la célula correspondiente al módulo común, comentaremos de qué manera la célula puede reproducirse y bajo qué condiciones lo hace. El DNA y sus diferentesestados en el núcleo celular Se recomienda leer nuevamente la sección ácido desoxirribonucleico del capítulo dos. Recordemos que el DNA o ADN es una biomolécula que se encuentra en todas las células en diferentes estados y compartimentos. Las células procariotas poseen un DNA circular pequeño en el citoplasma y las eucariotas poseen DNA lineal en el núcleo y DNA circular en las mitocondrias y cloroplastos. El DNA es la molécula que almacena las instrucciones para el desarrollo y funcionamiento total de un individuo. Es quien controla la apariencia, fisiología e incluso las enfermedades que el mismo pudiese tener (relacionadas con la molécula) Es ahora donde comentaremos el comportamiento de esta molécula dentro del ciclo celular. La organización que tiene y la perfección con la que esta maquinaria logra copiarse perfectamente a la célula hija. Recordemos que las letras que componen las palabras dentro de este “mensaje genético” son los nucleótidos, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como genes. ¿Cómo la célula eucarionte puede guardar una molécula de dos metros de largo en un compartimento cuyo diámetro es inferior a una millonésima de metro? La respuesta a esa pregunta se fundamenta en una serie de proteínas pertenecientes a la familia de las histonas. Estas proteínas solo están presentes en las células eucariotas. Las histonas son unas proteínas con un carácter básico que son capaces de unirse al DNA y formar complejos de compactación llamados nucleosomas. Las proteínas integrantes de la familia de las histonas son las proteínas H1, H2A, H2B, H3 y H4. En el núcleo de eritrocitos de aves es posible encontrar la histona H5. El nucleosoma es un complejo octamérico de histonas formadas por dos unidades de H2A, H2B, H3 y H4. El DNA es capaz de unirse a este octámero de proteínas y enrollarse 1,7 vueltas. Dichas vueltas son reforzadas por la presencia de la histona H1 o “linker”, la cual permite la unión a otra H1 de un nucleosoma adjunto. 113 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El DNA unido a histonas recibe el nombre de cromatina, la cual puede estar en un estado laxo (el collar de perlas, la estructura más laxa de la cromatina) o en un estado compacto. Los nucleosomas co-adjuntos representarían las perlas del collar. Existen tres tipos diferentes de cromatina según su grado de actividad transcripcional (expresión de genes): Eucromatina (activa; <2%), Heterocromatina constitutiva (rol estructural; 98%) y Heterocromatina facultativa (activada solo en casos especiales). Si la célula comienza su ingreso al ciclo celular, su material genético debe compactarse para poder ser ordenado y repartido correctamente. Para ello es necesario que el DNA se condense hasta llegar a una estructura conocida como cromosoma (véase más adelante) P á g i n a | 114 Manuel Mallol Simmonds La cantidad de DNA que posee una célula se identifica con la letra c, siendo la condición normal de cualquier célula diploide 2c. - Compactación de la fibra de cromatina La cromatina es una fibra dinámica, constituida para que en estados particulares del ciclo celular pueda condensarse hasta un punto máximo. A continuación se destacan las diferentes estructuras formadas durante la condensación de la cromatina: El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma circular (a diferencia de los eucariontes, que es lineal). DNA desnudo Fibra de 30nm Bucles Rosetas / solenoides Cromosomas 115 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Los cromosomas Los cromosomas (<cromo> color, <soma> cuerpo: Cuerpo coloreado) son la estructura de máxima condensación del DNA. Solamente es posible observarlos en metafase (véase más adelante). Su condición en la célula depende si coexisten en copias únicas de diferentes cromosomas (haploidía; n), en pares de dichas copias (diploidía; 2n) o en otras condiciones propias de los organismos vegetales (poliploidías). En los animales la condición normal (somática) de una célula es la diploidía (pares). La condición somática de un humano es 2n=46. Eso quiere decir que los humanos tenemos 46 cromosomas, organizados en 23 pares (diploidía). La carga genética normal de una célula diploide es 2n/2c La condición especial que poseen los gametos humanos es n=23. Eso quiere decir que tienen 23 cromosomas singulares. Es útil conocer la estructura de cada cromosoma, para comprender mejor su distribución en el ciclo celular. Los cromosomas que se observan en los ciclos celulares corresponden a cromosomas duplicados (debido a que antes de poder verlos, el DNA de toda la célula se replica para ser repartido equitativamente). Las partes estructurales de un cromosoma corresponden a: Cromátidas hermanas: Son los brazos del cromosoma. Se llaman hermanas porque su DNA es copiado. Componen la mayoría del cromosoma. Centrómero: Región de heterocromatina constitutiva central del cromosoma. Cinetocoro: Disco proteico unido al centrómero del cromosoma. Es importante para la unión del huso mitótico. Satélites: Son regiones periféricas de las cromátidas. Telómeros: Son las regiones finales del DNA de cada cromátida. Se van desgastando con cada replicación. Eso causa en gran medida el envejecimiento. Para ello existen unas enzimas llamadas telomerasas, que elongan estos segmentos en cada replicación. También es importante destacar que existen diferentes tipos de cromosomas, dependiendo de la ubicación del centrómero. De esa manera, podemos observar los siguientes: P á g i n a | 116 Manuel Mallol Simmonds El cariotipo humano Se mencionó que los humanos poseen 46 cromosomas, organizados en 23 pares. De ellos, 44 cromosomas (22 pares) constituyen los autosomas. Los dos restantes corresponden a los cromosomas sexuales X e Y, que pueden variar su condición para formar distintos sexos: XX para mujer y XY para hombre. El cariotipo humano corresponde a una imagen que permite observar los 23 pares cromosómicos que posee una persona. Esto es muy útil para poder diagnosticar enfermedades genéticas tempranamente (se analizará en profundidad en guías ulteriores) Ejemplo de cariotipo: Ya se han descrito las propiedades necesarias para comprender el ciclo celular. A continuación comenzaremos su descripción. 117 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El ciclo celular mitótico La mitosis (<mitos> hebra, <osis> proceso: proceso con filamentos) se define como la división del núcleo celular para repartirse en dos copias celulares idénticas. El contexto fisiológico donde ocurre la mitosis es conocido como el ciclo celular mitótico, en el cual la célula se prepara bioquímicamente para replicarse. El ciclo celular mitótico está conformado por las siguientes etapas: - Gap 1 (G1): Consiste en una etapa de larga duración durante la cual la célula comienza a producir más ATP, proteínas, enzimas y RNAs para la futura célula hija. Comienza a cambiar la organización de los microtúbulos. - S (Synthesis, Síntesis): En esta etapa ocurre la replicación del DNA. Esta etapa es crucial puesto que si ocurren fallas no detectadas en el proceso la célula hija dará origen a un cáncer. La condición del material genético pasa de 2n/2c a 2n/4c. - Gap 2 (G2): La célula vuelve a crecer y termina los preparativos para la replicación celular. Se replican los organelos celulares. - Mitosis (M): Ocurre la replicación del núcleo. - Citocinesis (citokinesis, citodiéresis): Luego de la replicación del núcleo, el citoplasma se divide y se forman dos células hijas. Las etapas G1, S y G2 conforman el periodo conocido como INTERFASE. La interfase es un cicloque puede durar bastante tiempo, siendo la mitosis la etapa más corta de todo el ciclo celular. P á g i n a | 118 Manuel Mallol Simmonds Mitosis La mitosis es la división del núcleo celular. Este proceso es sumamente prolijo, logrando repartir el material genético entre dos núcleos conservando la integridad del mismo. Sin embargo este proceso no está exento de errores, los cuales serán estudiados más adelante. Este proceso está dividido en cuatro etapas. Algunos autores utilizan cinco, pero para la PSU no es importante dicha clasificación: 1. Profase: La cromatina comienza a condensarse. La membrana nuclear (o carioteca) comienza a desaparecer. El huso mitótico (microtúbulos especializados para la mitosis) comienza a formarse desde los centriolos. Al final de esta etapa aparecen los cromosomas. 2. Metafase: La membrana nuclear ya ha desaparecido y los cromosomas se encuentran visibles. Las fibras del huso mitótico se unen a cada cinetocoro de un cromosoma duplicado. Los cromosomas se ordenan en el ecuador de la célula, alineados. 3. Anafase: El huso mitótico se acorta, haciendo que las cromátidas hermanas se separen y queden ubicadas en polos celulares opuestos. El citoplasma comienza su división. 4. Telofase: La membrana nuclear vuelve a formarse en torno a cada grupo de cromosomas. A su vez, estos comienzan a descondensarse. Si bien la citocinesis comienza tempranamente durante la mitosis, concluye después de que los dos núcleos están perfectamente formados. La citocinesis es diferente en animales y en vegetales. En los primeros ocurre por constricción y en los vegetales el aparato de Golgi sintetiza una nueva pared celular que separa las dos células. - Variación genética en las etapas de la mitosis La carga que posee una célula somática (2n/2c) varía a medida que avanza en el ciclo celular, de manera que al final de cada una de las etapas las condiciones serán: PROFASE METAFASE ANAFASE T E L O F A S E C IT O C IN E S IS 119 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Etapa Cantidad de DNA Condición cromosómica Tipos de cromosomas Cantidad de cromosomas G1 2c 2n (diploide) Normales (1 cromátida) Igual que somática S 4c 2n (diploide) Duplicados (2 cromátidas) Igual que somática G2 4c 2n (diploide) Duplicados (2 cromátidas) Igual que somática Profase 4c 2n (diploide) Duplicados (2 cromátidas) Igual que somática Metafase 4c 2n (diploide) Duplicados (2 cromátidas) Igual que somática Anafase 4c 2n (diploide) Normales (1 cromátida) Doble que somática Telofase 2 x 2c 2n (diploide) Normales (1 cromátida) Doble que somática Citokinesis 2c 2n (diploide) Normales (1 cromátida) Igual que somática El significado biológico y la importancia de la mitosis son: - Genera dos células nuevas, idénticas genéticamente. - Conserva la diploidía (la condición final de ambas células es 2n/2c) - La mitosis es primordial en el proceso de crecimiento y desarrollo de metazoos y plantas, reparación de tejidos, recambio celular normal (piel, mucosas, etc). - Fallas en este proceso pueden generar cáncer. Curiosidades… ¿Sabías que una de las razones por las que el HCl estomacal no consume el estómago es por la alta actividad mitótica de sus células? P á g i n a | 120 Manuel Mallol Simmonds Otros organismos se replican por un proceso llamado amitosis (proceso sin filamentos). Este proceso es característico de organismos poco complejos, como procariotas y eucariotas inferiores. En este tipo de división no participa el huso mitótico (los filamentos), por lo cual en núcleo o nucleoide se replica y luego se reparte la información por distintos medios: - Bipartición: Es el método más utilizado por procariotas y algunos eucariotas unicelulares. El material genético se replica y se reparte entre las dos células, ya sea con ayuda de estructuras celulares (procariotas) o por constricción nuclear (que originará dos núcleos a partir de uno) - Gemación: A partir de una célula se originan una o muchas células con su propio núcleo. Es característica de levaduras. Constricción nuclear en protozoos El origen del cáncer y control del ciclo celular El cáncer es una patología tisular originada por una falla en el ciclo celular mitótico. Los detalles del cáncer como enfermedad serán descritos en la guía de Biología humana y salud I. Si bien el cáncer puede tener múltiples agentes etiológicos (factores que causan la enfermedad), existen algunos predominantes: la activación de los protooncogenes y mutación en los genes supresores de tumores. ¿Qué son los protooncogenes? Proto significa “antes” y Onco se relaciona con cáncer, por lo tanto los protooncogenes son genes que al sufrir ciertas modificaciones se transforman en oncogenes; genes responsables del cáncer. Debemos explicar bien este punto para que se denote el concepto que no son dichos genes los que causan cáncer, sino la falla en esos genes conlleva a que la célula “pierda” la capacidad de detectarlo. Adentrándonos en la temática, los protooncogenes codifican unas proteínas conocidas comúnmente como los “supresoras de tumores”. El exponente más alto y conocido de estos guardianes es la proteína P53, conocida como el “guardián del genoma”. Pese a que no es tópico del módulo común, cuando un gen sufre una modificación, la proteína que codifica dicho gen también se modifica, alterando su función. 121 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El punto de restricción R, en la etapa G1 de la interfase es uno de los muchos puntos de restricción que posee el ciclo celular. Un punto de restricción es un momento del ciclo donde las proteínas a cargo de P53 revisan el estado del material genético, buscando fallas. Si se detectan errores, inducen un mecanismo de reparación y luego continúa el ciclo. Si la falla que se detecta no logra ser reparada, P53 induce a la célula a entrar en un proceso llamado apoptosis (muerte celular programada), con lo cual la célula es eliminada sin causar daño tisular. Si el gen supresor de tumores (gen codificante de P53) sufre una mutación, la P53 fabricada por la célula no funcionará. Al ser la cabeza de las proteínas supresoras de tumores, todas las que se encuentran bajo su efecto tampoco funcionaran. Ahora, si la célula sufriese una mutación grave en el DNA y posee una P53 afuncional, ese error no será detectado y la célula entrará en mitosis. Una vez que finalice la mitosis, la célula originada no tendrá las mismas funciones que antes, se transformará en un ente aislado del control tisular y comenzará a realizar ciclos celulares muy acelerados en comparación con las células normales. Esa masa celular sin control podría comenzar a llevar a cabo un proceso característico de los cánceres malignos llamado angiogenesis, en el cual el tumor maligno estimula a los vasos sanguíneos cercanos a fabricar ramas para irrigarlo. Con lo anterior células del tumor podrían migrar por el torrente sanguíneo e invadir otros órganos, proceso llamado metástasis. Todo lo anterior descrito resalta la importancia de no exponer los tejidos a químicos peligrosos, como el benceno (presente en los cigarrillos), radiación UV excesiva y radiación ionizante. La muerte celular programada: Apoptosis Así como las células nacen, crecen y se reproducen, deben morir en algún punto de su rol fisiológico. La muerte celular es un proceso que puede ser influenciado por noxas o por rutas metabólicas cuidadosamente establecidas para evitar la generación de reacciones inmunológicas. De esa manera, definimos como apoptosis aquel proceso de muerte celular programada mediada por rutas metabólicas que no genera una respuesta inflamatoria del huésped, mientras que la necrosis se define como la muerte celular no programada, violenta, donde la célulalibera gran cantidad de sustancias reactivas al medio extracelular, causando una respuesta inmunológica, llevando a un proceso conocido como inflamación. ▪ La apoptosis Generalmente la muerte celular programada puede ser estimulada a través de dos vías: - Vía intrínseca: A través de la detección intracelular de injurias genéticas no reparables, la p53 es capaz de gatillar la cascada apoptótica. Las ondas de Ca 2+ también son un potente activador de los inductores de la apoptosis (AIFs) - Vía extrínseca: A través del uso del ligando Fas (FasL), una proteína perteneciente a los Factores de Necrosis Tumoral (TNF), liberada por un gran número de Linfocitos (células inmunológicas) P á g i n a | 122 Manuel Mallol Simmonds ▪ La cascada apoptótica La célula tiene maneras particulares de iniciar la cascada de “suicidio”. Entre las principales se encuentras las corrientes de calcio, que son mediadas por una serie de receptores de membrana. Al ingresar una gran corriente de calcio, la célula se configura para iniciar la cascada apoptótica, consistente en los siguientes eventos: - Liberación de AIF (Factores inductores de la apoptosis) y el citocromo C de la mitocondria Los AIF son factores que estimulan la activación de proteínas relacionadas con la vía de las caspasas. El citocromo C es un activador de un complejo proteico denominado apoptosoma, el cual puede activar directamente la Caspasa 9, una de las principales en llevar a las etapas finales de la apoptosis. - Liberación de la proteína SMAC/DIABLO Normalmente la apoptosis se encuentra inhibida a través de CIP (Proteínas inhibidoras de las caspasas). La proteína SMAC/DIABLO es un inhibidor de las CIP, por lo cual al liberarse es capaz de inhibir los inhibidores de la apoptosis, desencadenando la activación de las caspasas. - Aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS) y nitrógeno (RNS) A causa del aumento de oxigeno no utilizado (debido a que la cadena respiratoria de la mitocondria dejó de funcionar por liberación de sus componentes), comienzan a surgir especies reactivas de oxígeno, las cuales dañan una serie de biomoléculas por oxidación. Los mecanismos antioxidantes de la célula (principalmente una enzima denominada superoxido dismutasa) se ven superadas. - Disminución del ATP Al interrumpirse la producción de ATP mitocondrial, la célula comienza a utilizar la fermentación, la cual es mucho menos eficiente. Al poco tiempo una serie de proteínas ATP- Dependientes (Como bombas de membrana, proteínas del citoesqueleto, etc) dejaran de funcionar. - Daño en el DNA nuclear A causa del aumento de ROS, el DNA mitocondrial se verá seriamente dañado. Posteriormente las ROS citoplasmáticas terminarán dañando el DNA nuclear, con la consiguiente activación de p53. - Activación de p53 y proteínas dependientes p53 es la principal proteína inductora de la apoptosis en condiciones de daño en el DNA nuclear. Esta proteína es capaz de inducir la reparación del DNA ante daños en él, y si estos daños son irreparables, induce la expresión de genes inductores de la apoptosis (BAX y PUMA) con lo cual la célula entra en apoptosis. - Activación de las caspasas Las caspasas con enzimas proteasas (degradan proteínas). Existen iniciadoras (caspasas 8 y 9) y efectoras (3 y 7). 123 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds La activación de la caspasa 9 estimula la activación de la caspasa 3, siendo esta última la efectora principal del final de la apoptosis. - Degradación del citoesqueleto Los sustratos de las caspasas incluyen un gran número de proteínas intracelulares, entre las cuales se encuentran los filamentos de actina y los microtúbulos. Al degradas estas fibras, la célula comienza a perder su soporte mecánico, aislándose de otras células vecinas. - Formación de cuerpos apoptóticos La última etapa de la apoptosis es la formación de los cuerpos apoptóticos. Cuando dentro de la célula ya no quedan organelos funcionales ni moléculas capaces de reparar la célula, se forman pequeñas vesículas a partir de los restos celulares, las cuales serán fagocitadas por una célula del sistema inmunológico. P á g i n a | 124 Manuel Mallol Simmonds El ciclo celular meiótico La meiosis es un proceso que solamente experimentan las células de la línea germinal (productoras de gametos; células sexuales). Es muy similar a la mitosis en cuanto a sus etapas, sin embargo tiene grandes diferencias. Espermatozoide, un gameto masculino. Los productos de la meiosis son cuatro células haploides (n/c), con una carga genética diferente a su célula de origen y entre ellas. La meiosis en su contexto de formación de gametos (gametogénesis) será analizada en un capítulo ulterior. Las etapas de la meiosis están repartidas en dos grandes procesos: La meiosis I y la meiosis II. Comenzaremos describiendo la primera de éstas: Meiosis I La importancia de la meiosis I radica en la generación de variabilidad en las células en formación. Es en este punto donde los cromosomas dejan de ser homologos. Antes de entrar a la meiosis I la célula progenitora (gonio) presenta una interfase idéntica a la presente en la mitosis. Las etapas del proceso son: 1. Profase I: Es la etapa más compleja de toda la meiosis. Está dividida en cinco subetapas: a. Leptoleno: La membrana nuclear comienza a desaparecer. Los cromosomas comienzan a condensarse y comienza el ensamblaje del complejo sinaptonémico (soporte de las tétradas). b. Zigoteno: Se forman las tétradas (ó bivalentes), consistentes en la unión del cromosoma paterno y materno de cada par cromosómico, a través del complejo sinaptonémico. c. Paquiteno: Ocurre el crossing over (entrecruzamiento). Los cromosomas homólogos intercambian segmentos entre ellos. Luego de esta etapa ya no existe un cromosoma paterno y materno, sino que solo son un cromosoma con cuatro cromátidas. A partir de ahora la célula se considera haploide. d. Diploteno: Los cromosomas ya son observables. Los lugares donde hubo recombinación permanecen unidos con unas marcas en forma de X llamadas quiasmas. e. Diacinesis: La membrana nuclear desaparece y los cromosomas ya están condensados. 125 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 2. Metafase I: Las tétradas se organizan en el ecuador de la célula gracias al huso meiótico (idéntico al huso mitótico). Es aquí donde ocurre otro evento de variabilidad genética: La permutación cromosómica. En este evento las tétradas son ordenadas aleatoriamente, de manera que durante la anafase, la distribución de las cromátidas paternas y maternas será al azar. 3. Anafase I: Las tétradas son separadas hacia polos opuestos de la célula. En cada polo celular se encontrará un grupo de 23 cromosomas replicados. 4. Telofase I: Los núcleos se reorganizan en torno a este grupo de cromosomas. Ocurrida la citocinesis propia del proceso, la meiosis I concluye con dos células con carga genética n/2c. Pese a que ya se encuentra presente la haploidía necesaria para los gametos (n + n = 2n) la cantidad de DNA que hay es demasiada (2c + 2c = 4c), por lo que debe realizarse otra división para terminar el proceso. Antes que comience la meiosis II, existe un periodo llamado intercinesis, en el cual la célula se prepara para una nueva división SIN REPLICAR SU DNA. Meiosis II La meiosis II es muy similar a una mitosis. Consta de las siguientes etapas: 1. Profase II: La membrana nuclear desaparece y los cromosomas duplicados comienzan a condensarse. El huso meiótico vuelve a reorganizarse. 2. Metafase II: Los cromosomas duplicados se organizan en la línea ecuatorial de la célula gracias al huso meiótico. 3. Anafase II: Las cromátidas de cada cromosoma son separadas hacia polos opuestos de la célula. 4. Telofase II: Se reorganiza la membrana nuclear en tornoa cada grupo de cromosomas. Ocurrida otra citocinesis, la meiosis esta completa: Se han formado cuatro células con una carga genética n/c. Su juego cromosómico lleva uno de cada tipo (no hay pares). De esa manera, cuando se unan los gametos se restituirá la diploidía (n/c + n/c = 2n/2c). P á g i n a | 126 Manuel Mallol Simmonds La meiosis es muy importante evolutivamente como el proceso desarrollado para generar variabilidad intraespecie. Este proceso asegura que ninguna descendencia será igual a sus progenitores, pudiendo adquirir nuevas características. - Variación genética en las etapas de la mitosis La carga que posee una célula de la línea germinal somática (2n/2c) varía a medida que avanza en el ciclo celular meiótico, de manera que al final de cada una de las etapas las condiciones serán: Etapa Cantidad de DNA Condición cromosómica Tipos de cromosomas Cantidad de cromosomas G1 2c 2n (diploide) Normales (1 cromátida) Igual que somática S 4c 2n (diploide) Duplicados (2 cromátidas) Igual que somática G2 4c 2n (diploide) Duplicados Igual que somática P R O F A S E I Leptoleno 4c 2n (diploide) Duplicados Igual que somática Zigoteno 4c 2n (diploide) Tétradas (4 cromátidas) Mitad que somática Paquiteno 4c n (haploide) Tétradas Mitad que somática Diploteno 4c n (haploide) Tétradas Mitad que somática Diacinesis 4c n (haploide) Tétradas Mitad que somática Metafase I 4c n (haploide) Tétradas Mitad que somática 127 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Anafase I 4c n (haploide) Duplicados Igual que somática Telofase I 2 x 2c n (haploide) Duplicados Igual que somática Citoquinesis 2c n (haploide) Duplicados Igual que somática Intercinesis 2c n (haploide) Duplicados Igual que somática Profase II 2c n (haploide) Duplicados Igual que somática Metafase II 2c n (haploide) Duplicados Igual que somática Anafase II 2c n (haploide) Normales Igual que somática Telofase II 2 x c n (haploide) Normales Igual que somática Citoquinesis c n (haploide) Normales Mitad que somática La importancia biológica de la meiosis es: - Generación de variabilidad intraespecie (crossing-over y la permutación cromosómica) - Ocurre solo en células de la línea germinal. - Generación de gametos haploides, capaces de conservar el número cromosómico de la especie. - Alta efectividad de producción (se generan cuatro células a partir de una). Cuadro comparativo entre la mitosis y la meiósis Mitosis Meiosis Células formadas Dos Cuatro Condición genética Diploide - clones Haploide – Diferente a la progenitora y entre las formadas Células en que ocurre Células de todo el cuerpo (salvo neuronas) Células de la línea germinal (espermatogonios y ovogonios) Objetivo Reparar tejidos, renovación celular, crecimiento. Formación de gametos. Generación de variabilidad intraespecie Característica especial Fallas en el proceso pueden originan cáncer. Está dividida en dos periodos. La profase I es la más compleja. Ejemplo de ejercicio PSU: MC ¿En cuál de los siguientes procesos no participa la mitosis? a) Generación de órganos. b) Regeneración de tejidos c) Reproducción de bacterias P á g i n a | 128 Manuel Mallol Simmonds d) Formación de tumores e) Crecimiento de metazoos Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa c). La mitosis participa en a) en el proceso embriológico y fetal, que se puede interpretar como el crecimiento de un organismo. También participa en b), debido a que cuando ocurre la lesión a un tejido las células que lo componen deben clonarse para cicatrizar. En la alternativa c) no participa la mitosis, porque las bacterias no poseen núcleo. Recuerda que ellas utilizan la fisión binaria, que es parte de la amitosis. La alternativa d) está relacionada con fallas en la mitosis, por lo tanto pueden realizarla y la alternativa e) no es correcta debido a que los metazoos (animales) crecen gracias a la mitosis (y preguntan por los procesos en los que NO participa) Tip PSU Es muy importante conocer las etapas de la mitosis y qué sucede en cada una de ellas. También es importante saber cómo varía la carga genética entre cada etapa de la mitosis y recordar que hasta que ocurre la citocinesis la célula posee dos juegos genéticos. En el caso de la meiosis, es importante conocer en detalle la profase I y los eventos que determinan la variabilidad genética. Luego aplicaremos la meiosis a su contexto original: la gametogénesis. Ejercicios capítulo VIII “Ciclo celular” 1. Al considerar una célula somática con la siguiente constitución cromosómica 2n=16, en el momento de realizar mitosis y encontrarse en anafase se podría contar en ella: a) 16 cromosomas simples con su propio centrómero b) 16 cromosomas duplicados c) 8 cromosomas duplicados d) 32 cromosomas duplicados con su propio centrómero e) 32 cromátidas o cromosomas simples, cada una de ellas con su centrómero. 2. La mitosis es característica de: I. Bacterias II. Tejidos de organismos pluricelulares III. Células de un organismo que se reproduce sexualmente IV. Células eucariontes que se reproducen asexualmente a) Solo I b) Solo II y III c) Solo III y IV d) Solo II y IV e) Solo II, III y IV 3. La cromatina menos compactada, que posee el DNA transcripcionalmente activo (aquel a partir del cual puede sintetizarse RNA) y representa alrededor del 2% del genoma recibe el nombre de: 129 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds I. Eucromatina II. Heterocromatina constitutiva III. Heterocromatina facultativa a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo II y III e) I, II y III 4. ¿En qué aspecto el ADN de la mitocondria se diferencia del ADN nuclear? a) Es ADN de hebra simple b) Codifica proteínas mitocondriales usando diferentes bases nitrogenadas c) Es solo ADN maternal d) Usa un código genético diferente e) C y D son correctas 5. ¿En qué etapa(s) de la meiosis ocurre recombinación del material genético? I. Profase I II. Metafase I III. Profase II IV. Anafase II a) Solo I b) Solo I y II c) Solo III d) III y IV e) Solo I, III y IV 6. En una célula animal cuyo número cromosómico es n=10, ¿Cuántos cromosomas se encuentran en la anafase de la primera división meiótica? a) 5 b) 10 c) 20 d) 40 e) No se puede determinar 7. Usando la misma célula anterior, ¿Cuántos cromosomas se encuentran en la metafase de la segunda división meiótica? a) 5 b) 10 c) 20 d) 40 e) No se puede determinar 8. ¿Qué proceso permite a una célula somática de un organismo pluricelular formar otra célula semejante? a) Meiosis b) Mitosis P á g i n a | 130 Manuel Mallol Simmonds c) Cariocinesis d) Regeneración e) Generación espontanea 9. De las siguientes alternativas, mencione la que determina el fenómeno común a regeneración de tejidos, crecimiento en plantas y cicatrización de heridas: a) Bipartición b) Meiosis c) Mitosis d) Metamorfosis e) Fisión binaria 10. Las histonas interactúan con: a) DNA nuclear b) RNAm c) Ribosomas d) Fosfolipidos de la carioteca e) Glicocalix 11. Para establecer el cariotipo de una especie. ¿Qué etapa de la mitosis conviene seleccionar para realizar dicho estudio? a) Profase b) Telofase c) Interfase d) Anafase e) Metafase 12. La Proteína Supresora de Tumores P53, es una proteína que actúa en: a) G1 b) Mitosis c) Punto R d) G2 e) S 13. ¿Qué proceso desencadena un cáncer? a) Una mutación a nivel de DNA polimerasas, enzimas que replican DNA b) Una mutación a nivel de los protooncogenes c) Exposición prolongada a rayos UV d) A y B son correctas e) B y C son correctas 1 2 3 4 5 6 E E A C A C 7 8 9 10 11 12 13 BB C A E C E 131 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds C p . I X – N u tr ic ió n y d ie té ti ca M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Una de las estructuras celulares esenciales, mencionada en el capítulo anterior, corresponde a la membrana plasmática (celular o biológica). Esta estructura posee una organización tal que es capaz de regular qué sustancia entra o sale de la célula y regula el área celular. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 132 Manuel Mallol Simmonds Capítulo IX - Nutrición y dietética Ya han sido analizadas las propiedades celulares necesarias del módulo común de la PSU de ciencias. Desde ahora comenzaremos el análisis de las funciones vitales del organismo. En otras palabras, observaremos los efectos y beneficios del actuar conjunto de las células. En esta guía analizaremos el concepto de nutrición y dietética, que estudia la dinámica de la alimentación de los organismos, en especial los humanos, donde las enfermedades causadas por una mala alimentación (como la aterosclerosis, anorexia, bulimia, obesidad, raquitismo, etc) están cobrando cada vez mayor importancia en la actualidad. Concepto de dieta Se define como dieta (del griego dayta; régimen de vida) un programa estructurado en el cual el cuerpo recibe un aporte calórico proveniente desde los alimentos. Dependiendo del tipo de organismo existen dietas mixtas (de varios tipos de alimentos) o dietas estrictas (solamente un tipo de alimento). En la actualidad el concepto de dieta se asocia al acto de adelgazar (perder peso). Lo cierto es que los humanos crearon el concepto de dieta equilibrada ó dieta ideal, la cual se define como un programa alimenticio que proporciona la cantidad de calorías necesarias para lograr llevar a cabo las actividades propias de un individuo. El gran conflicto en estos tiempos es la adopción fuerte de una dieta no equilibrada, en donde se incorporan más calorías de las que el cuerpo necesita. Dichas calorías se almacenan en forma de reserva (tejido adiposo) y conllevan al sobrepeso y/o obesidad, ligado a otras enfermedades. Otra forma de dieta no equilibrada es aquella que no aporta las suficientes calorías para que el organismo lleve a cabo sus funciones necesarias, enfrentándose a la necesidad de consumir sus propias moléculas para generar energía. Esto es muy común de observar en los países con pobreza extrema (como gran parte del continente Africano y Haití). ¿Qué factores afectan la dieta de una persona? Existe un componente social, que se ve reflejado en las reuniones de amigos, familiares, etc, en donde se tienden a consumir grandes cantidades de alimentos, altamente calóricos por lo general, y un componente individual, en donde las costumbres de la persona intervienen en el tipo de alimentos que ésta consume (por ejemplo, las personas vegetarianas no consumen carnes de ningún tipo. Ello conlleva a no incorporar una gran cantidad de grasas saturadas al organismo). A continuación analizaremos el concepto de alimento y sus diferentes tipos, así como la dinámica de los nutrientes. 133 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Los alimentos y sus nutrientes Un alimento se define como una mezcla de nutrientes en presentaciones variables. La clasificación de los alimentos se creó tomando en cuenta su origen. Un buen alimento debe contener cantidades variables de nutrientes, aunque no existe ninguno que aporte las cantidades simultaneas de todos para vivir (la teoría del alimento perfecto). Los nutrientes se definen como las unidades monoméricas de las biomoléculas, que son utilizadas por las células para sinterizar sus propias biomoléculas y generar energía (ATP). Así, ya sabemos que se consideran nutrientes los monosacáridos, los aminoácidos, los minerales y las vitaminas, que no hemos analizado aún. ¿En donde se encuentran la mayoría de los nutrientes? Las proteínas se encuentran mayoritariamente en carnes y lácteos. Los carbohidratos en panes, cereales y legumbres. Las vitaminas es fácil encontrarlas en verduras y frutas crudas. Finalmente, los lípidos son predominantes en los alimentos grasos, como la mantequilla, aceites y quesos. El proceso a través del cual las grandes biomoléculas son degradadas hasta sus constituyentes mínimos, para ser absorbidos y utilizados como nutrientes es conocido como digestión (que se analizará en la próxima guía). Los nutrientes actúan como los ladrillos fundamentales del anabolismo. De esta manera, las etapas por las que debe pasar el alimento para ser utilizado por el organismo son: Es frecuente encontrar a los alimentos organizados en una pirámide llamada pirámide alimenticia. En ella, las bases representan los alimentos que deberían ser consumidos periódicamente y el vértice representa los que hay que consumir moderada y ocasionalmente. P á g i n a | 134 Manuel Mallol Simmonds La pirámide alimenticia se organiza según la extracción de energía que el organismo puede hacer de ellos. Es por eso que los carbohidratos como el pan, cereales, arroz, papas, etc, van en la base de la pirámide: Porque entregan energía de alta calidad y rápida utilización al organismo. Si bien los lípidos pueden generar grandes cantidades de ATP no son el combustible de primera línea, sino que se metabolizan directamente para ser reservados, cuando están en excesos. Curiosidades… Las proteínas ingeridas en la dieta actúan supliendo los aminoácidos esenciales y como ladrillos para las proteínas neosintetizadas. Las vitaminas son importantes coenzimas que permiten muchas reacciones fundamentales del organismo (como la síntesis de colágeno, una proteína estructural de los tejidos) ¿Sabías que para digerir apio gastamos más energía que las que él aporta? 135 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ¿De qué manera puedo saber cuántos nutrientes me aporta cada alimento? Para ello existe una norma regida en casi todo el mundo en la cual cada alimento vendido en un país debe ir con una etiqueta nutricional (original y traducida al idioma del país, de ser necesario). A continuación se aprecia una tabla que destaca los aportes nutricionales de algunos alimentos consumidos en Chile: Tomada de “composición química de los alimentos Chilenos”, Hermann Schmidt-Hebbel. 1994. Alimento Kcal/100g Proteínas Lípidos Calcio Fósforo Hierro Potasio LECHE Y DERIVADOS 61 1,2 1,9 29 - Trazas - Leche materna Leche vaca 57 3,2 3,2 115 102 0,07 149,5 Leche polvo 26% 454 28,6 24,3 - - - 1307 Queso chanco 335 26,3 28,9 742 505 0,7 83 Queso cheddar 387 26,3 28,9 809 515 0,9 - HIEVO ENTERO 164 13,5 10,0 45 178 2,0 140 VACUNO 158 22,5 5,8 40 144 2,2 546 Cazuela Lomo liso 150 23,0 5,6 10 103 5,5 520 Plateada 135 20,3 5,5 11 77 3,8 523 CERDO 266 20,6 18,2 21 107 1,3 731 Cazuela Pulpa 136 21,2 4,4 16 99 1,2 384 AVES: 205 22,4 11,5 212 120 0,4 - Pechuga Muslo 136 22,0 3,3 23 141 2,2 - MARISCOS 76 14,2 0,8 73 237 1,2 - Cholgas Choritos 58 10 1,8 - - - - Almejas 127 20 3,3 62 458 5,2 - Erizo 121 14,4 5,1 38 294 0,4 - FARINACEOS 363 6,4 0,8 8 85 20 46 Arroz Maicena 353 10,6 4,5 16 - - 23 Maiz 341 10,6 4,5 8 333 3,2 - Fideos 336 11,7 0,1 65 150 5,4 160 Galletas obleas 526 6,3 30,4 136 154 1,4 280 LEGUMBRES: 334 21,1 1,8 49 270 16,8 738 Arvejas Protos crudos 317 20,6 1,6 164 325 7,3 1165 Garbanzos crudos 349 9,7 0,7 134 324 7,3 728 Lentejas crudas 326 24 1,3 63 365 6,5 721 VERDURAS 25 1,3 0,4 124 26 3,7 189 Acelga cruda Alcachofa 49 2,5 0,4 49 36 0,7 - Coliflor 22 1,5 0,5 27 340,4 186 Lechuga cruda 15 1,7 0,4 60 35 2,2 14 P á g i n a | 136 Manuel Mallol Simmonds Ejemplos de etiquetas nutricionales chilenas: (Izquierda) Etiqueta de Cachantun Más Limón (Derecha) Etiqueta de azúcar en cubitos blanca Iansa. Las conocidas calorías representan la cantidad de energía utilizable que un alimento entrega al organismo. Se miden por cada mil calorías (Kcal), correspondiendo una caloría a 4,18 Joules (unidad internacional para la energía). Recordemos que el organismo es capaz de utilizar glucosa, ácidos grasos, proteínas y nucleótidos para generar energía, pero que los carbohidratos son la primera fuente de energía que el cuerpo hará uso. Cabe señalar que algunos nutrientes, como las vitaminas, vienen expresados en porcentajes comparados a la dosis diaria recomendada (DDR), establecida por la Organización Mundial de la Salud (OMS). Cada uno de los nutrientes listados en las etiquetas nutricionales debería ser ingerido en base a la DDR, para garantizar el aporte equilibrado de cada uno de ellos. Sin embargo, lo antes mencionado debe ser evaluado según la condición de la persona (normal, enferma, obesa, post-operados, etc). A continuación analizaremos las características especiales de cada nutriente: ▪ Los carbohidratos. Los carbohidratos aportan sobretodo glucosa al organismo, así como otros monosacáridos como la fructosa. Ambas son utilizadas activamente por el organismo para la producción de ATP. Si bien, éste posee otras vías de producción (como la β- oxidación de ácidos grasos y la desaminación oxidativa de aminoácidos), la vía preferencial es la respiración celular en base a glucosa, debido a que las otras moléculas son destinadas a la constitución de estructuras celulares. Se debe tener cuidado con la ingesta diaria de carbohidratos, puesto que los alimentos que los contienen aportan mucha energía al organismo. Al superar esta energía a nivel diario, esta energía será transformada a diferentes reservas energéticas (como el tejido adiposo). ▪ Las proteínas Las proteínas aportan sobretodo aminoácidos esenciales, los cuales no pueden ser fabricados por el organismo. Recordemos que existen veintidós aminoácidos en la naturaleza capaces de conformar proteínas. De esos veintidós, los que se consideran esenciales son: 137 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Leucina Isoleucina Lisina Valina Triptofano Tirosina Fenilalalina Treonina Metionina Histidina Un punto importante sobre la obtención de los diez aminoácidos esenciales es que ellos no se encuentran en un solo alimento, sino que deben consumirse distintas fuentes de aminoácidos esenciales para poder obtenerlos todos. Por ejemplo, las semillas de sésamo (o ajonjolí) tienen mucha cantidad de metionina (1,65 g/100g). Por otra parte, la lisina no es sintetizada en ningún organismo animal, debiendo ser consumida a través de distintas plantas y cereales, como las lentejas. ▪ Los lípidos Recordemos que estas moléculas no son polímeros, y que existen diferentes familias mencionadas (como los fosfolípidos, los triglicéridos, las ceras y los esteroles). A nivel nutricional los lípidos constituyen un nutriente fundamental, principalmente por el aporte a la constitución de reservas energéticas en el tejido adiposo y por aportar ácidos grasos esenciales al organismo. Algunos ácidos grasos pueden ser absorbidos y pasar directamente a ser constituyentes de membrana. Los ácidos grasos esenciales consisten en moléculas de ácidos grasos poliinsaturados presente mayoritariamente en carnes de pescados blancos. Los ácidos grasos esenciales importantes para la PSU consisten en el ácido linoleico, el acido α-linolénico y el ácido docosahexaenoico (DHA, omega-3). Los dos primeros participan en la biosíntesis del DHA. Dos moléculas de DHA La importancia del DHA radica en la cooperación con una serie de procesos vitales como la mielinización de las neuronas, la biosíntesis de neurotransmisores, la diferenciación de células P á g i n a | 138 Manuel Mallol Simmonds linfocitarias específicas, síntesis de tromboxanos y prostaglandinas (respuesta inflamatoria) y el desarrollo del aprendizaje e inteligencia, entre otros. Es común encontrar productos para lactantes y niños menores de 4 años que vienen adicionados con DHA y otros ácidos grasos, debido a que el sistema nervioso desde el nacimiento comienza a desarrollar y madurar el aprendizaje intelectual, motriz y racional, por lo tanto es esencial entregar un buen aporte de un importante biomodulador de dichos procesos. ▪ Minerales Los minerales aportan diferentes funciones al organismo, dependiendo del elemento en cuestión. Por ejemplo, el hierro (Fe) es esencial para la biosíntesis de hemoglobina, el calcio y el fosforo (Ca y P respectivamente) participan en la formación de hidroxiapatita o fosfato cálcico, el compuesto que otorga la rigidez a la matriz osea de los huesos. También pueden ser reguladores de pH, moduladores de biomoléculas, etc. Las vitaminas Las vitaminas son nutrientes reguladores que no aportan energía al organismo. Tienen diferentes funciones según la estructura de la vitamina, pero en general participan como coenzimas en diferentes reacciones vitales, aportan importantes pigmentos y moléculas iniciales para transducciones nerviosas (como la vitamina A y la visión) Existen vitaminas hidrosoluble, que corresponden a la mayoría de las descubiertas hasta la fecha, y vitaminas liposolubles, que es necesario aprender para la PSU, debido a que sabiendo cuales son liposolubles se puede hacer la distinción de las hidrosolubles. Las vitaminas liposolubles son la vitamina K, D, E y A, que se pueden aprender fácilmente a través de la palabra DEKA. Los datos específicos de estas vitaminas son: FORMAS QUIMICAS ACTIVAS Vitamina A Vitamina D Vitamina E Vitamina K Retinol Calciferol Tocoferol Naftoquinona FUENTE ALIMENTICIA Hígado, zanahoria, yema de huevo, mantequilla, crema, legumbres verdes o amarillas, melón y damascos Alimentos irradiados con luz solar, mantequilla, yema de huevo, hígado, salmón, sardinas, atún. Germen de trigo, vegetales, aceites vegetales, maní, margarina. Repollo, coliflor, espinaca, hígado de cerdo, aceite de soya. FUNCION Mantiene el buen funcionamiento de células epiteliales, huesos, mucosas y permite la visión (rodopsina) Absorción y utilización del calcio en el crecimiento óseo. Potente antioxidante. Mantiene la función de los tejidos reproductores y musculares. Necesaria para la formación de protrombina (coagulación sanguínea) MANIFESTACIONES DE SU DEFICIENCIA Ceguera nocturna, piel reseca y áspera, mucosas resecas. Niños: Raquitismo Adulto: favorece la osteoporosis Desconocido en humanos En ratas machos causa infertilidad Coagulación sanguínea lenta. Enfermedades hemorrágicas en el recién nacido. Falta de 139 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds protrombina. REQUERIMIENTO EN EL HUMANO ADULTO (mg/24hrs) 0,75 0,01 10-25 4 Las vitaminas hidrosolubles corresponden a la vitamina C y al complejo de vitaminas B. Su función en el organismo se resume en la siguiente tabla: Vitamina Fuente alimenticia Función C (acido ascórbico) Cítricos, frutillas, melón, tomate, pimentón, perejil, nabo, entre otros. Estimulación de defensas. Cofactor esencial de la biosíntesis del colágeno. B1 (Tiamina) Cerdo, hígado, vísceras, granos enteros, cereales enriquecidos, nueces, legumbres, papas. Metabolismo de carbohidratos B2 (Riboflavina) Hígado, leche, carne, huevos, cereales enriquecidos, hongos. Metabolismo de carbohidratos y aminoácidos. B3 (Niacina, Nicotinamina) Hígado, aves, carnes, pescados, legumbres, hongos, cereales enriquecidos. Metabolismode carbohidratos y aminoácidos. B5 (Acido pantoténico, Vitamina W) Hígado, vísceras, huevos, cereales de granos enteros, legumbres, salmón. Componente de la coenzima A, crecimiento y salud de todos los organismos B6 (Piridoxina) Cerdo, hígado, legumbres, granos, papas, plátanos. Metabolismo de lípidos y aminoácidos B8 (Biotina) Carne de pollo, espinacas, garbanzos, cereales, palta, sardinas, plátano, lentejas. Metabolismo de lípidos y eritropoyesis (formación de eritrocitos) B9 (acido fólico, vitamina M) Hígado, leche, carnes, jugo de naranja, palta, brócoli, coliflor, col de Bruselas, acelgas y espinacas. Ayuda notablemente a prevenir los defectos en la médula espinal y cerebro de los recién nacidos. Participa en la formación de células sanguíneas (hematopoyesis) B12 (cianocobalamina) Hígado y otras carnes. Verduras. Metabolismo de aminoácidos, crecimiento, hematopoyesis, síntesis de colina. ¿Cómo calculamos la dieta ideal? El IMC y la TMB Para lograr establecer la dieta ideal (aporte calórico justo para satisfacer las demandas del organismo), debemos comprender cuanta energía gasta nuestro organismo en mantener los procesos vitales y luego ajustarlo según el nivel de gasto muscular que posea. La Tasa Metabólica Basal o TMB es un cálculo que permite aproximar la cantidad de calorías que el organismo invierte para mantener todos los procesos fisiológicos que nos permiten estar vivos. Para calcularlo existe una tabla correspondiente: P á g i n a | 140 Manuel Mallol Simmonds Edad (años) Mujeres Hombres 0-3 61 · Kg – 51 60,9 · Kg – 54 3-10 22,5 · Kg + 499 22,7 · Kg + 495 10-18 12,2 · Kg + 746 17,5 · Kg + 651 19-30 14,7 · Kg + 496 15,3 · Kg + 679 31-59 8,7 · Kg + 829 11,6 · Kg + 879 Para establecer un gasto total del organismo debemos incorporar el concepto de Factor de Ajuste corregido, que integra gastos como el nivel de actividad física, gastos por crecimiento, embarazo, etc. La tabla de factor de ajuste corresponde a: Nivel de Actividad Física Mujeres Hombres Sedentaria 1,2 1,2 Ligera 1,7 1,7 Moderada 2,2 2,7 Pesada 2,8 3,8 Trabajo CV 6 6 Crecimiento 60 Kcal 60 Kcal Embarazo 300Kcal -- Lactancia 600Kcal De esa manera, tenemos en el cálculo nutricional: Ejemplo de cálculos de gastos energéticos Una adolescente de 17 años que pesa 55Kgs 1. Su metabolismo basal corresponde a 12,2 x 55 + 736 = 1.407 Kcal/día. Ese número debe transformarse a Kcal/hora dividiendo 1.407 en 24= 59 Kcal/hora. 2. Incorporamos las actividades que esta mujer realiza durante el día: o Duerme 8 horas (se considera metabolismo basal): 59 x 8 = 472 Kcal o Caminar, ducharse y tomar locomoción, lo cual toma 5 horas. Se considerará actividad física ligera, por lo cual: 59 x 1,7 x 5 = 502 Kcal. o Estudiar 4 horas (actividad física ligera): 59 x 1,7 x 4 = 401 Kcal o Ver televisión y conversar 3 horas, lo cual es actividad física sedentaria: 1,2 x 59 x 3 = 212 Kcal 141 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds o Actividad recreativa por 4 horas (actividad física moderada): 59 x 2,2 x 4 = 519 Kcal En total esta mujer requiere un aporte calórico de 1.407 + 472 + 502 + 401 + 212 + 519, o sea, de 3513 Kcal/día. En el caso que esta mujer se encontrara embarazada, se deben adicionar 300 Kcal/día a esa suma. Luego, durante la lactancia, ese gasto se duplicará, necesitando 600Kcal/día para la producción de leche y amamantamiento. ▪ El IMC El Indice de Masa Corporal o IMC corresponde a un número interpretable respecto a una tabla que indica el estado nutricional de una persona. Los factores primarios de este cálculo con el peso y la estatura de una persona, teniendo la formula: Así, un hombre de 77Kgs con 1,63 de estatura tendrá un IMC de 28,9, que en la tabla de datos se interpreta como: Clasificación IMC [Kg/m 2 ] Punto principal de corte Punto de corte adicional Bajo peso <18.50 <18.50 Flaquez severa <16.00 <16.00 Flaquez moderada 16.00 – 16.99 16.00 – 16.99 Flaquez mínima 17.00 – 18.49 17.00 – 18.49 Rango normal 18.50 – 24.99 18,50 – 22,99 23.00 – 24.99 Sobrepeso ≥ 25.00 ≥ 25.00 Preobeso 25.00 – 29.99 25.00 – 27.49 27.50 – 29.99 Obeso ≥ 30.00 ≥ 30.00 Obeso clase I 30.00 – 34.99 30.00 – 32.49 32.50 – 34.99 Obeso clase II 35.00 – 39.99 35.00 – 37.49 37.50 – 39.99 Obeso clase III ≥ 40.00 ≥ 40.00 Traducido de la WHO (World Health Organization, Feb 2012) Este hombre se encuentra en una condición de preobesidad grado 2, por lo que con este dato pude reajustar la ingesta calórica diaria, a modo de reducir su masa corporal y disminuir su IMC. P á g i n a | 142 Manuel Mallol Simmonds Enfermedades nutricionales La OMS define la salud como el completo bienestar físico, mental y social de una persona. Existen muchas enfermedades que pueden alterar este bienestar, entre ellas las enfermedades nutricionales Las enfermedades nutricionales están íntimamente ligadas a los aspectos dietéticos de una persona. Dentro de estas enfermedades, podemos distinguir las siguientes: ▪ Marasmo El marasmo es producido por una carencia grave de nutrientes en general, provocando una flaqueza exagerada (emaciación) y los signos que ello acarrea (piel seca y deshidratada, abdomen prominente, huesos débiles, debilidad nerviosa, etc). Pese a que su condición nutricional puede mejorar con la administración de alimentos, el daño causado al esqueleto y sistema nervioso es irreversible. ▪ Síndrome de Kwashiorkor Es un síndrome característico de la desnutrición proteica. Generalmente en zonas como África, los alimentos infantiles post-lactancia son ricos en carbohidratos y fibras, pero pobres en aminoácidos esenciales. Lo anterior conlleva a un estado de gran flaqueza, acompañado de hepatomegalia (incremento del tamaño del hígado) y retención de líquidos en la cavidad abdominal. ▪ Escorbuto El escorbuto fue una enfermedad de alta incidencia en la década de los años 20 del siglo XX. Consiste en la carencia de vitamina C, que es una importante coenzima de la síntesis de colágeno (componente de la matriz extracelular). 143 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Al carecer de colágeno, las personas presentaban problemas en los niveles donde intervenía el colágeno: Soporte de tejidos, cicatrización, etc. Se corrige adicionando cítricos, o directamente acido ascórbico a la dieta. ▪ Raquitismo Es una enfermedad causada principalmente por la deficiencia de vitamina D y sus isoformas. Recordemos que ésta vitamina está implicada la correcta asimilación de calcio y fosforo en la matriz ósea. Al carecer de esta vitamina (cuya biosíntesis está regulada en parte por la radiación UV), los huesos se tornan débiles e inestables. La cura se basa en aumentar el contacto con la luz solar y administrar ergocalciferol en forma artificial. ▪ Anorexia La anorexia es una enfermedad nutricional-psicológica muy preponderante hoy en día. En ella, el afectado manifiesta una disconformidad constante con su cuerpo, afirmando que se encuentra en estados de sobrepeso, incluso en estados de flaqueza extrema. Para lograr el cuerpo deseado, los anoréxicos recurren a la inducción del vómito después de cada comida, o incluso simplemente dejar de comer. Con ello el organismo no absorbe la cantidad de nutrientes que necesita para sus funciones vitales, debiendo metabolizar tejido graso y finalmente tejido protéico, dañando gravemente los sistemas motrices y nerviosos del cuerpo. P á g i n a | 144 Manuel Mallol Simmonds Este cuadro generalmente se acompaña de estados depresivos, psicosis y manías. Se requiereun gran apoyo psicológico a tiempo y el apoyo incondicional de la familia, debido a que no tiene freno propio y el o la afectada continuará disminuyendo su peso hasta fallecer por inanición. ▪ Bulimia La bulimia está muy relacionada con la anorexia. La gran diferencia es que los anoréxicos no comen para disminuir su peso, pero los bulímicos comen normal o exageradamente y luego sienten culpa por el acto de comer, induciendo el vómito. Las consecuencias físicas de la bulimia son similares a la anorexia. La diferencia notable es que debido a la constante expulsión de quimo por la cavidad oral, las estructuras como los dientes y mucosas esofágico-bucales se ven afectadas, pudiendo aparecer caída de dientes y/o úlceras (heridas en mucosas). El tratamiento es un apoyo psicológico completo, junto a un apoyo familiar adecuado. ▪ Obesidad La obesidad es una enfermedad en la cual el IMC de una persona se encuentra por sobre 27,9 en hombres y 27,4 en mujeres. La apariencia de esta enfermedad es un volumen aumentado del cuerpo, acompañado de elevados niveles de diferentes lípidos en el organismo, principalmente de colesterol. 145 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Chile la situación de desnutrición infantil fue revertida efectivamente, sin embargo el equilibrio se perdió y ahora existe una importante tasa de obesidad infantil, problema que debemos enfrentar incentivando el consumo de una dieta sana rica en frutas, verduras y comidas caseras equilibradas en calorías, así como un buen programa de ejercicio físico. Los síntomas que acarrea la obesidad son linfedemas, problemas cardiacos, problemas osteoarticulares, depresión (a causa de la mofa de la demás gente y disconformidad con el cuerpo propio), etc. Existen distintas soluciones a la obesidad, dependiendo del grado en el que se encuentre. Generalmente es solucionable a través de dietas especiales, sin embargo existen métodos quirúrgicos (como el bypass gástrico) que reducen la cantidad de alimento que el organismo puede asimilar, disminuyendo rápidamente el peso. Ejemplo de ejercicio PSU: MC De los siguientes conjuntos de alimentos, ¿cuál de ellos aporta fundamentalmente proteínas? f) Tomates, huevos y zanahorias g) Fideos, carne roja y tomates h) Paltas, pescado y arroz i) Pescado, pollo y carne roja j) Pollo, arroz y manzanas Extraído de la Prueba de Selección Universitaria Ciencias DEMRE, 2008. La respuesta correcta en este caso es la alternativa d). La alternativa a) propone alimentos predominantemente vitamínicos (tomates y zanahorias). La alternativa b) propone una mezcla de carbohidratos (fideos), proteínas (carne roja) y vitaminas (tomates). La alternativa c) propone La misma mezcla que la alternativa b). La alternativa d) propone pescado, pollo y carne roja, todas carnes. Las carnes poseen abundantes proteínas. La alternativa e) propone pollo (proteínas), arroz (carbohidratos) y manzanas (vitaminas). Tip PSU Esta materia es muy importante para la PSU, sobretodo en la comprensión de las consecuencias de una mala nutrición y de los cálculos de las demandas energéticas en P á g i n a | 146 Manuel Mallol Simmonds situaciones especiales. Las enfermedades es importante comprenderlas tanto para la PSU como para las prácticas de la vida diaria. Ejercicios Capítulo IX “Nutrición y dietética” 1. Resulta verdadero afirmar, que una persona con: I. Una estatura de 1,74m y 83Kg de masa corporal y se sexo femenino, se encuentra con un IMC adecuado para su talla. II. Un IMC de 23 y con una estatura de 1,71m, debe tener una masa corporal aproximada de 67Kg. III. Obesidad mórbida, que tiene una masa corporal de 87Kg y un IMC de 45, lo más probable es que sea menor de 14 años. a) Solo I b) Solo III c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 2. La calidad de la dieta se relaciona principalmente con: I. El tipo de alimento que se consume. II. La mezcla de alimentos que se realice. III. La cantidad de alimentos que se consume durante el día a) Solo I b) Solo III c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 3. ¿Cuál de los siguientes enunciados es correcto? a) Todos los lípidos se pueden considerar altamente energéticos y perjudiciales para la salud b) Las proteínas se requieren en grandes cantidades, ya que son esenciales para los organismos humanos. c) La cantidad de verduras que se consuma tiene relación directa con la cantidad de lípidos consumidos. d) Las frutas y verduras se pueden considerar alimentos de tipo reguladores por su alto contenido en vitaminas y minerales. e) Carbohidratos y lípidos cumples roles energéticos, estos últimos en general son constituyentes del glicocálix en las membranas celulares. 4. De la pirámide alimentaria se puede afirmar correctamente que: I. La base está constituida con alimentos de tipo energético como lo son los carbohidratos. II. El grupo 3 de alimentos está constituido por aquellos que aportan bastantes proteínas de buena calidad. 147 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds III. Los alimentos que deben consumirse en menores cantidades son las grasas, bebidas, margarinas y azucares. a) Solo I b) Solo II c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 5. Una persona con exceso de peso (IMC de 26) debería seguir la(s) siguiente(s) recomendación(es): I. Aumentar la cantidad de horas que camina o tiene actividad II. Descansar lo máximo posible para que su metabolismo basal aumente III. Consumir más leche y queso para aumentar los ácidos grasos esenciales a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y III e) Solo II y III 6. La información que aporta la etiqueta nutricional nos permite: I. Conocer la cantidad de calorías que consumimos. II. Saber si el alimento nos aporta beneficios o nos perjudica. III. Conocer si los nutrientes que estamos consumiendo se ajustan a una dieta balanceada. a) Solo I b) Solo II c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 7. Sobre el metabolismo basal, resulta(n) verdadera(s) la(s) siguiente(s) opción(es): I. Disminuye con la actividad física. II. En el invierno se encuentra más elevado. III. Indica el gasto energético en condiciones de reposo. a) Solo I b) Solo II c) Solo I y II d) Solo II y III e) Solo I, II y III 8. En relación a la enfermedad cardiovascular y la alimentación se puede(n) considerar como correcta(s): I. El consumo de un exceso de calorías provenientes de carbohidratos no tiene incidencia. II. Si la dieta tiene bastantes frutas y verduras, así como aceites poliinsaturados, se puede considerar como protectora cardiovascular. P á g i n a | 148 Manuel Mallol Simmonds III. El consumo de alimentos altos en colesterol aumenta el riesgo de la formación de ateromas y de infarto al miocardio. a) Solo I b) Solo III c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 9. Una persona de sexo femenino de 18 años y con una estatura de 1,65m consume una dieta que consiste en 135 gramos de lípidos, 280 gramos de proteínas y 300 gramos de carbohidratos diariamente. Al respecto se puede considerar como verdadero que: I. El consumo de calorías diarias sobrepasa su requerimiento energético, incluso considerando que tiene un alto nivel de actividad física. II. Es probable que su IMC se encuentre dentro de rangos considerados normales, si el peso de ella es 60 Kg III. Su consumo calórico es del 100% de adecuación, si ella duerme 8 horas, y el resto del tiempo tiene 4 horas de actividad sedentaria, 5 horas de actividad moderada y 7 horas con actividad intensa. a) Solo I b) Solo II c) Solo I y II d) Solo II y III e) I, II y III 1 2 3 4 5 6 C E D E A E 7 8 9 E D D 149 | P á g i n a Manuel Mallol SimmondsManuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl Las células eucariotas formantes de organismos pluricelulares tienen la facultad de poder diferenciarse morfogenéticamente para formar poblaciones celulares diferentes, cada una con funciones específicas asignadas. Para comprender de manera adecuada la dinámica y fisiología de los aparatos y sistemas, debemos introducir las bases de los cuatro tejidos principales de los organismos animales. A n e x o I – O rg a n iz a ci ó n t is u la r M an u el M al lo l S im m o n d s http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 150 Manuel Mallol Simmonds Anexo I – Organización tisular Organización pluricelular Las células eucariotas tienen la facultad de poder formar organismos pluricelulares. Ello determina la mayor complejidad que pueden alcanzar diferentes especies, desde invertebrados hasta vertebrados. En los organismos pertenecientes a los reinos Animalia, Fungi y Plantae, las células son capaces de diferenciarse desde un precursor común y formar poblaciones celulares fisiológica y morfológicamente diferentes. Esta característica permite la formación de tejidos (véase más adelante) y órganos, brindando la posibilidad de realizar un sinnúmero de funciones integradas en un mismo organismo. La evolución de este tipo de organismos ha permitido la sobrevida de muchos de ellos, estando equipados con la maquinaria bioquímica especializada de diferentes poblaciones celulares. Esta característica brinda la gran capacidad adaptativa de estos organismos, fundamentada en la base de la entropía. La diferenciación celular Este proceso se profundizará en el capítulo sobre desarrollo embriofetal. La diferenciación celular es el proceso que permite que una célula totipotencial (capacidad de generar un organismo completo) pueda regular la expresión de sus genes para variar su función y morfología. Esta es la clave de la generación de más de 200 tipos celulares existentes en el organismo humano (y de otras especies) desde un cigoto monocelular generado tras la unión de los gametos femenino y masculino. El DNA totipotencial del cigoto inicial tiene los genes activados para generar copias iguales de sí mismo (segmentación del cigoto). Sin embargo, a medida que avanza el desarrollo embrionario, ciertas poblaciones celulares silencian algunos genes (inhiben su expresión) y activan otros, transformando estas células totipotenciales en células pluripotenciales (capaces de generar ciertos tejidos y/o estructuras). 151 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Este proceso es casi en la totalidad de las células irreversibles (con la notable excepción de las células cancerígenas anaplásicas, que recuerdan una célula poco diferenciada) y se va haciendo cada vez más profundo, originando células tan diferentes entre sí como un eritrocito (glóbulo rojo), una neurona (célula del Sistema Nervioso), un hepatocito (célula del hígado) y un fibroblasto (célula del tejido conectivo). Los cuatro tejidos básicos Un tejido se define como una estructura constituida por uno o varios conjuntos organizados de células diferenciadas de otras, con una función en común asignada y coordinada y un origen embriológico en común. El estudio de los tejidos recae sobre la rama de la biología denominada histología. Los tejidos poseen un orden específico, pudiendo definir estructuras como el parénquima (el interior de los órganos macizos) y estroma (exterior de los mismos). Existen cuatro tipos de tejidos primordiales, desde los cuales las células pluripotenciales de éstos se transforman en células multipotenciales para formar diferentes derivados de los mismos. ▪ Tejido nervioso Es el tejido conformante del sistema nervioso, donde se incluyen las neuronas (células generadoras de potenciales de acción), la neuroglia (células de soporte, funcionalidad y mantención del sistema nervioso) y otras células que participan en la conformación fisiológica y morfológica de este importante sistema. ▪ Tejido epitelial Se define como epitelio una capa fina de células unidas entre sí que recubren la superficie de las cavidades, órganos y la piel. De acuerdo con la función que deba tener ese órgano, el epitelio designado tendrá una morfología diferente, y por ende, una función especial: a) Epitelio simple plano Consiste en una capa de células en donde predomina el ancho por sobre el alto y el largo. El endotelio de los vasos sanguíneos posee este epitelio. b) Epitelio simple cilíndrico Consiste en una capa de células en donde predomina el alto por sobre el ancho y largo (células cilíndricas). El estómago, intestino delgado, grueso, epidídimo, útero, endocervix y otras estructuras poseen este epitelio. P á g i n a | 152 Manuel Mallol Simmonds c) Epitelio simple cúbico Consiste en una capa de células en donde el ancho, largo y alto son iguales, dando una apariencia cúbica. Se encuentra presente en el sistema tubular de los nefrones (riñones), algunos conductos de glándulas, etc. d) Epitelio de transición (urotelio) Es un epitelio presente entre las cálices renales y la uretra. La forma de sus células es irregular. Los epitelios pueden existir en forma de dos o más capas celulares, adquiriendo el prefijo “estratificado”, de la siguiente manera: o Capa interna cúbica y externa plana: Epitelio plano estratificado o Capa interna cúbica y externa cilíndrica: Epitelio cilíndrico estratificado. Pueden existir algunas variaciones dependiendo de la especialización del epitelio, como la presencia de cilios, una estratificación no completa (pseudoestratificación), presencia de queratina (queratinizado o cornificado), etc. Epitelio estratificado plano, exocérvix (H/E, 100x) 153 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Epitelio pseudoestratificado cílindrico ciliado, tráquea (H/E, 100x) Ejemplos: o Epidermis: Epitelio plano estratificado cornificado o Tráquea: Epitelio cilíndrico pseudoestratificado ciliado. ▪ Tejido muscular Son las células destinadas a formar músculo, de cualquiera de sus tipos (liso, esquelético o cardiaco). La profundización de este tejido es componente del módulo electivo. ▪ Tejido conjuntivo Es el tejido derivado del mesénquima embrionario, que tiene como función originar diferentes tejidos de soporte, sostén y conexión física en el organismo. P á g i n a | 154 Manuel Mallol Simmonds El tejido adiposo, tejido óseo, tejido conectivo y la sangre son parte de esta familia de tejidos. A su momento se analizarán las características de cada uno. Estos cuatro tejidos son capaces de organizarse y formar estructuras macroscópicas complejas, denominadas órganos. Los sistemas y aparatos El nivel de complejidad organizacional en biología de los tejidos es superado por el de órganos, que corresponden a tejidos organizados espacial y morfológicamente en pos de una función en el rol fisiológico global de un organismo. Los pulmones, ojos, cerebro, hígado, riñones, gónadas, etc, corresponden a diferentes órganos. Un órgano puede clasificarse en macizo (como el hígado, bazo, páncreas, etc) o hueco (como el tubo digestivo, vejiga, etc). Para optimizar aun más la función de los órganos, éstos se organizan en aparatos y sistemas, que corresponden al nivel de organización biológica superior al órgano. En los metazoos (animales) se encuentran muy bien caracterizados, pero en plantas es común encontrar diversos tejidos análogos, siendo el aparato reproductor una notable excepción. Un aparato se define como un conjunto de órganos heterogéneos, que comparten diferentes orígenes embrionarios pero que tienen una función en común. Un sistema se define como unconjunto de órganos homogéneos, que comparten orígenes embrionarios en común y que también tienen una función en común. 155 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds De esa manera distinguimos los siguientes aparatos y sistemas en los organismos animales: o Sistema Cardiovascular o Sistema Linfático o Sistema Nervioso o Sistema Osteomioarticular o Sistema Endocrino o Aparato Respiratorio o Aparato Nefrourinario o Aparato Digestivo o Aparato Reproductor Todos estos aparatos y sistemas los analizaremos entre el módulo común y el módulo electivo de biología. Los aparatos y sistemas componen en su conjunto a un organismo, que es un ser viviente, capaz de relacionarse con el medio ambiente en términos energéticos, adaptativos y materiales. Un organismo es la forma más compleja de organización de la materia en términos individuales. La integración de todos los aparatos y sistemas del organismo, tanto a nivel macro como microscópico brinda todas las herramientas para lograr un adecuado intercambio de elementos con el medio ambiente, junto con la posibilidad de relacionarse, nutrirse y reproducirse. P á g i n a | 156 Manuel Mallol Simmonds C p . X – A p a ra to d ig e st iv o M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl Uno de los puntos fundamentales de la dietética y la nutrición de un organismo es el modo por el cual se logran incorporar los nutrientes a la circulación, para ser finalmente aprovechados por las células. El responsable de ese fenómeno es conocido como Aparato Digestivo. http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 157 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo X - El aparato digestivo En el capítulo anterior se analizó la dinámica de la alimentación, la nutrición y la dietoterapia, conceptos fundamentales para lograr una correcta y sana alimentación, más aún en la actualidad donde dichos problemas son muy comunes. Siento esta guía la primera entrega sobre sistemas y aparatos, vale la pena mencionar algunos datos sobre ellos. En esta guía analizaremos el aparato encargado de procesar y transformar los alimentos, para poder extraer sus nutrientes: el aparato digestivo. Generalidades anatómicas del aparato digestivo El aparato digestivo (también encontrado erróneamente como Sistema digestivo) corresponde a un complejo de diferentes órganos cuya función se enfoca primariamente a la transformación de los alimentos para extraer los nutrientes y entregárselos a la circulación. Un rol secundario del aparato digestivo es excretar sustancias que no le son de utilidad (ese punto se analizará en la guía de excreción). Los órganos pertenecientes al aparato digestivo se conservan en la mayoría de los animales, habiendo diferencias morfológicas debido a la dieta o a la forma de la cavidad donde se almacena. A continuación analizaremos cada uno de los componentes anatómicos del aparato digestivo humano, de manera de facilitar la comprensión de los procesos dictados a continuación. ▪ La cavidad oral La cavidad oral es el lugar donde comienza el tubo digestivo. Además de participar en la digestión, participa otorgando sensibilidad (texturas y temperaturas), sensorialidad (sentido del gusto) y fonética. La cavidad oral está delimitada por los labios (estructuras mucosas que mantienen cerrada la cavidad salvo cuando se ingiere alimento, líquido o se realiza algún sonido), el paladar, la lengua y su piso y los arcos faríngeos, lugar donde se encuentran las amígdalas palatinas. La lengua es un órgano muscular tapizado por una capa celular que otorga sensibilidad y sensorialidad. El movimiento de la lengua es indispensable para la correcta digestión mecánica de la cavidad oral. A nivel óseo la cavidad oral esta soportada principalmente por dos huesos: la mandíbula (que posee el movimiento para masticar) y el maxilar. Estos huesos tienen un recubrimiento especial por su cara interna llamado encía. En las encías van insertados unas estructuras semejantes a huesos llamadas dientes, también indispensables para la digestión mecánica de la boca. P á g i n a | 158 Manuel Mallol Simmonds La función de los dientes varía según su tipo, pero en conjunto a la lengua y la saliva forman el bolo alimenticio (alimento triturado y mezclado con saliva). En la cavidad oral de un humano adulto existen 32 dientes, 16 arriba y 16 abajo. La clasificación de los dientes corresponde a: Incisivos (8): Dientes diseñados para cortar. Caninos (4): Dientes diseñados para desgarrar. Premolares (8): Ayudan a triturar alimentos de mediana dureza. Molares primarios (4): Dientes diseñados para moler. Molares secundarios (4): Dientes diseñados para moles Molares terciarios (4): Dientes diseñados para morder cosas como huesos huecos. En la raza humana están comenzando a desaparecer. 159 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds La cavidad oral está provista de glándulas salivales, que secretan saliva (liquido que se analizará en la digestión enzimática). Estas glándulas existen en pares y se clasifican en la glándula parótida (ubicada en las mejillas, es la más grande de todas), la glándula submandibular y la glándula sublingual, ambas ubicadas bajo la lengua. P á g i n a | 160 Manuel Mallol Simmonds ▪ Faringe – Esófago Más allá de la cavidad oral existe un tubo que la conecta con el esófago. En este tubo también corre aire, siendo utilizado por el aparato respiratorio (tramo nariz-tráquea) y por el aparato digestivo (boca – esófago). Este tubo es conocido como faringe. El esófago es un tubo muscular de aproximadamente 30cm de longitud que conecta la orofaringe (tramo de la faringe conectado con la cavidad oral) con el estómago. En la zona de esta unión existe un esfínter (anillo muscular constrictor) llamado cardias, que evita el reflujo de comida desde el estomago hacia la cavidad oral. ▪ Estómago El estomago es una dilatación diferenciada del tubo digestivo especializada en disolver los alimentos que caen en él e iniciar la digestión enzimática. Se encuentra en una región del abdomen llamada hipocondrio izquierdo (al lado izquierdo de la llamada “boca del estomago”) y parte del epigastrio (la “boca del estomago”). Posee zonas que es necesario mencionar: Cardias: Esfínter de la unión gastroesofágica (esófago y estómago). Evita el reflujo de alimentos desde el estómago hacia la cavidad oral. Fondo (fundus): Corresponde a una cúpula adyacente al cardias. Allí suben los gases ingeridos, para luego ser expulsados. Cuerpo: Es el lugar del estomago donde se acumula la comida ingerida. Antro: Es el lugar que antecede a la unión gastroduodenal. Píloro: Esfínter de la unión gastroduodenal (estomago y duodeno). Evita que el contenido del estomago caiga al intestino delgado antes de tiempo y evita el reflujo desde el duodeno al estomago. 161 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds En el estomago se secretan elementos únicos y esenciales: Ácido clorhídrico (HCl), que otorga un pH entre 1 y 2 al medio estomacal. Factor intrínseco, una glicoproteína que permite la absorción de la vitamina B12. Hormonas como la colecistokinina y gastrina, que se analizarán más adelante. Enzimas. A un pH tan bajo como el del estomago ningún tejido podría soportar mantenerse invariable. Para ello el estomago tiene dos mecanismos a través de los cuales puede mantenerse en óptimas condiciones: Secreción de mucus, que protege las paredes del estómago del HCl. Alta tasa mitótica, con la cual las paredes internas del estómago se renuevan completamente un par de veces al mes.▪ Intestino delgado El intestino delgado es la porción más larga del tubo digestivo, llegando a medir aprox. 6 metros, ocupando casi la totalidad de la cavidad abdominal. En él ocurre la digestión enzimática y la absorción de los nutrientes. Está dividido en tres porciones, que desde el estomago son: duodeno, yeyuno e íleon. En el duodeno se lleva a cabo la mayoría de la digestión enzimática y en las porciones restantes se lleva a cabo la absorción de nutrientes. P á g i n a | 162 Manuel Mallol Simmonds ▪ Intestino grueso Comienza en la zona donde termina en íleon. Fue denominado de esa manera debido a que es aproximadamente el doble de grueso que el intestino delgado. Mide 1,5 metros de largo y su función es finalizar la absorción de agua y electrolitos. Además alberga una abundante flora bacteriana, la cual es esencial para la protección, digestión y fabricación de vitaminas (por ejemplo, la vitamina K). La zona de unión entre el intestino delgado y grueso se conoce como válvula ileocecal. Sobre ella comienza el intestino grueso y bajo ella existe un saco sin salida llamado ciego. En esa estructura se origina el apéndice vermiforme, órgano vestigial pequeño que posiblemente tiene un rol de protección inmunitaria en la zona. El intestino grueso está formado por cuatro regiones: El colon ascendente, el colon transverso, el colon descendente y el colon sigmoides. Finalmente el tubo digestivo termina en el recto, un tramo diferenciado del intestino grueso que actúa a razón de embudo y que esta comunicado con el exterior a través del ano. 163 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Hígado El hígado es una de las glándulas anexas al aparato digestivo. Las glándulas anexas son órganos que no forman parte del tubo digestivo pero aportan sus secreciones al proceso. Este órgano es macizo y tiene un rol fundamental específicamente en: Producción y secreción de bilis Detoxificar la sangre de elementos como el alcohol, fármacos y potenciales noxas (elementos dañinos) para el organismo. La bilis (cuyas propiedades se analizarán en la digestión enzimática) es un líquido pardo secretado por los hepatocitos (células del hígado). Drena a través del conducto hepático común hacia el conducto cístico, que a su vez desemboca en un saco adherido al hígado llamado vesícula biliar. En este lugar la bilis se concentra, para luego ser devuelta a través del conducto colédoco. Finalmente, este conducto desemboca en el duodeno, en conjunto con el conducto pancreático común (véase más adelante). ▪ Páncreas El páncreas es una glándula anficrina (secreción endocrina y exocrina, se verá en guías posteriores) de origen mixto. Se encuentra detrás del estomago y del duodeno. Esta glándula secreta la mayoría de las enzimas digestivas que actúan en el duodeno, junto a bicarbonato de sodio (se verá la importancia del mismo más adelante). Algunas hormonas que secreta el páncreas son de gran utilidad para regular el proceso digestivo. P á g i n a | 164 Manuel Mallol Simmonds Ya se han descrito todos los componentes anatómicos que forman parte del aparato digestivo. Es ahora donde comenzaremos detallando el proceso a través del cual los alimentos son transformados para poder utilizar sus nutrientes: la digestión. La digestión global está compuesta por un componente mecánico, en el que intervienen esencialmente fuerzas físicas, y un componente enzimático, que es el encargado de llevar a cabo ese proceso de transformación de alimentos. Ambos componentes ocurren al mismo tiempo, sin embargo los analizaremos por separado para facilitar la comprensión. La digestión mecánica La digestión mecánica se define como los procesos físicos que transforman el estado de los alimentos, para facilitar y permitir la digestión enzimática de una manera eficiente. El comienzo de la digestión mecánica se da en la boca, en donde los alimentos que ingresan son cortados, desgarrados y triturados por los dientes. A su vez, estos productos triturados son mezclados con la saliva, formando un bolo conocido como el bolo alimenticio. Con ayuda de la lengua, el bolo alimenticio pasa desde la cavidad oral hacia el esófago, para dirigirse al estómago. Una vez en el estomago, el bolo alimenticio se ve rodeado de ácido clorhídrico, con lo cual el mismo comienza a deshacerse. Al mismo tiempo están actuando los otros productos del estómago, como el factor intrínseco y la pepsina (que no había sido nombrada), una proteasa (enzima degradadora de proteínas). Entre una y dos horas (dependiendo del alimento) el bolo alimenticio habrá desaparecido y en su lugar se encontrará una mezcla espesa más fina llamada quimo. 165 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El quimo posee un pH aprox. de 2. Al pasar por el antro pilórico, se activan los mecanismos para que el páncreas vierta su jugo en el duodeno. Recordemos que además de enzimas digestivas, este jugo contiene bicarbonato, el cual neutralizará la acidez del quimo para evitar daños al duodeno. Esa actividad amortiguadora de pH se conoce como buffer o tampón. Una vez en el duodeno, el pH del quimo se eleva hasta aprox. 8. Con ese pH las enzimas digestivas duodenales y pancreáticas pueden digerir los alimentos, haciendo del quimo una mezcla muy acuosa, fina y liquida llamada quilo. El quilo avanza por el intestino delgado, en donde el agua, los nutrientes y los electrolitos van siendo absorbidos. Cerca del final del íleon el quilo ha cambiado su textura: se encuentra más deshidratado y fermentado. En este punto el quilo pasa a llamarse excretas. Las excretas ahora en el intestino grueso finalizan su rol en el organismo. Proveen de nutrientes a las bacterias comensales de ese lugar. También se absorbe la mayor cantidad de agua y electrolitos posible, pero no se absorben nutrientes. Debido a la digestión bacteriana, en este lugar se produce butano y trazas de metano. Las excretas son expulsadas del organismo en un acto de contracciones abdominales e intestinales conocido como defecación, estimulado por la dilatación del colon sigmoides y el recto. Entonces, los estados físicos por los que pasan los alimentos son: Curiosidades… ¿Sabías que la superficie del intestino delgado, en m2, equivale a un campo de fútbol? P á g i n a | 166 Manuel Mallol Simmonds La digestión enzimática La digestión enzimática se define como el conjunto de reacciones bioquímicas que permiten degradar las grandes biomoléculas presentes en los alimentos hasta sus constituyentes mínimos. Esta digestión solo ocurre en lugares específicos del tubo digestivo: Boca Estómago Duodeno Este punto es árido para la PSU; son muchos nombres que deberás aprender. Para facilitar las cosas separaremos la digestión enzimática por área topográfica. ▪ Boca La digestión enzimática de la boca esta mediada por la saliva. La saliva contiene una enzima llamada α-amilasa, amilasa salival o ptialina. Esta enzima comienza la degradación del almidón, transformándolo en maltosa (un disacárido de glucosa). En la boca también actúa una enzima llamada lipasa lingual (o salival), la cual comienza la digestión de algunos triglicéridos, degradándolos a ácidos grasos y glicerol. El rango óptimo de pH de las enzimas bucales es entre 7 y 7,5. ▪ Estómago En el estomago las enzimas bucales son desnaturalizadas por el ácido pH. Sin embargo, en los jugos gástricos junto con el HCl y mucus, se secreta una enzima llamada pepsina, una proteasa de grandes péptidos. Esta enzima desdobla proteínas grandes a polipéptidos más pequeños. La pepsina se secreta como pepsinogeno, un zimógeno (una enzima inactiva), que con ayuda del pH se transforma en su forma activa, la pepsina. El rango óptimo de pH de la pepsina es entre 1,5 y2. ▪ Duodeno En este lugar se lleva a cabo la digestión enzimática final de los alimentos (digestión terminal). Actúan un gran número de enzimas, provenientes del páncreas en el jugo pancreático, y provenientes del mismo duodeno (jugo intestinal). Antes de nombrar las enzimas, destacaremos el rol de otras sustancias que llegan al duodeno: bicarbonato y bilis. El bicarbonato está encargado de neutralizar el pH ácido del quimo, elevando el pH hasta aprox. 8, para que las enzimas duodenales puedan hacer su efecto y el quimo no dañe las paredes del duodeno. La bilis está compuesta de dos pigmentos resultantes de la degradación de eritrocitos viejos en el hígado: bilirrubina y biliverdina. También se encuentran sales biliares y desechos metabólicos como productos de excreción. La función de la bilis es emulsionar las grasas (formar pequeñas gotitas), de manera que las enzimas duodenales puedan digerirlas con mayor efectividad. 167 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Las enzimas que actúan en el duodeno, separadas por su lugar de origen, son: o Páncreas: Amilasa pancreática: Digestión de almidón a maltosa. Lipasa pancreática: Digestión de lípidos a ácidos grasos y glicerol. Nucleasas (DNAsas y RNAsas): Degradación de ácidos nucleícos a nucleótidos. Tripsina: Digestión de polipéptidos a aminoácidos. Quimotripsina: Digiere péptidos actuando sobre grupos carbonilo. Aminopeptidasa: Digiere péptidos a aminoácidos desde su extremo amino. Carboxipeptidasa: Digiere péptidos a aminoácidos desde su extremo carboxilo. o Duodeno: Maltasa: Digiere la maltosa a glucosa Sacarasa: Digiere la sacarosa a glucosa y fructosa. Lactasa: Digiera la lactosa a glucosa y galactosa Amilasa intestinal: Digiere el almidón a maltosa. Lipasa intestinal: Digiere lípidos a ácidos grasos y glicerol. Proteasas selectivas: Actúan sobre zimógenos, como el tripsinógeno (precursor de la tripsina). Erepsinas: Digieren pequeños péptidos. El rango óptimo de pH para las enzimas que actúan en el duodeno oscila alrededor de 8. Hay que señalar que muchas enzimas se secretan como zimógenos. Esto es un mecanismo de protección, sobre todo contra las proteasas, debido a que si la vesícula que contiene la proteasa se llegase a romper la célula podría ser degradada. La activación de los zimógenos puede ser por pH o por acción de enzimas activadoras específicas. Este cuadro resumen de la digestión enzimática puede ser de gran ayuda (pH op = pH óptimo): Nombre enzima Secretada como Lugar donde actúa pH op Efecto Amilasa salival Amilasa salival Boca 7 Transforma el almidón a maltosa Amilasa intestinal Amilasa intestinal Duodeno 8 Transforma el almidón a maltosa Amilasa pancreática Amilasa pancreática Duodeno 8 Transforma el almidón a maltosa Lipasa lingual Lipasa lingual Boca 7 Transforma lípidos a ácidos grasos y glicerol Lipasa pancreática Lipasa pancreática Duodeno 8 Transforma lípidos a ácidos grasos y glicerol Lipasa intestinal Lipasa intestinal Duodeno 8 Transforma lípidos a ácidos grasos y glicerol Tripsina Tripsinógeno Duodeno 8 Transforma péptidos a aminoácidos. P á g i n a | 168 Manuel Mallol Simmonds Quimotripsina Quimotripsinógeno Duodeno 8 Transforma péptidos a aminoácidos a través del grupo carbonilo Carboxipeptidasa Carboxipepsinógeno Duodeno 8 Transforma péptidos a aminoácidos a través del grupo carboxilo. Erepsina Erepsina Duodeno 8 Transforma péptidos pequeños a aminoácidos. Pepsina Pepsinógeno Estómago 2 Transforma grandes péptidos a péptidos pequeños. Aminopeptidasa Aminopepsinógeno Duodeno 8 Transforma péptidos a aminoácidos a través del grupo amino. Desoxirribonucleasa Desoxirribonucleasa Duodeno 8 Hidroliza el DNA Ribonucleasa Ribonucleasa Duodeno 8 Hidroliza el RNA Sacarasa Sacarasa Duodeno 8 Transforma la sacarosa en glucosa y fructosa. Maltasa Maltasa Duodeno 8 Transforma la maltosa en glucosa y glucosa. Lactasa Lactasa Duodeno 8 Transforma la lactosa en galactosa y glucosa. La absorción de nutrientes El intestino delgado (yeyuno y parte del íleon) están concebidos con estructuras especiales para la mejor absorción de nutrientes posible. Los enterocitos (células del intestino delgado) se organizan en pliegues que macroscópicamente parecen vellos. Estas son las vellosidades intestinales. La distribución en esta forma aumenta bastante la superficie en contacto con el quilo. Izquierda: Vellosidades intestinales. Derecha: Microvellosidades intestinales (MEB) Pero eso no es todo. Los enterocitos son células con forma de cilindro que en su cara apical (que mira hacia el interior del intestino delgado) poseen vellosidades microscópicas y 169 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds largas llamadas microvellosidades, que aumentan más aun la superficie de absorción del intestino, llegando alrededor de 4.500m 2 . Los enterocitos en las microvellosidades poseen transportadores de membrana específicos para determinados nutrientes (glucosa, aminoácidos, iones, agua, etc). Cabe destacar que el transporte de aminoácidos es pasivo por cotransporte acoplado a Na + , al igual que el de iones y algunas otras moléculas, pero el transporte de glucosa desde el intestino al enterocito es un transporte activo. La vellosidad intestinal posee en su estructura capilares venosos que drenan los nutrientes absorbidos hacia las venas mesentéricas. En el centro de la vellosidad es posible encontrar un capilar linfático, el cual se encargará del transporte de ácidos grasos en forma de vesículas llamadas quilomicrones (fabricados luego de la pinocitosis de ácidos grasos) Las venas mesentéricas desembocan en la vena porta hepática. Un sistema porta se define como una vía que esquiva la circulación sistémica por una determinada razón. La función del sistema porta-hepático es purificar la sangre con productos absorbidos en el intestino, debido a que no solamente se absorben nutrientes, sino que en muchas ocasiones toxinas (como el alcohol) que deben ser eliminadas de la circulación. Luego de pasar por el hígado, la sangre con nutrientes ya libre de toxinas se integra a la circulación sistémica en la vena cava superior (el sistema de venas se analizará en la guía de Sistema Cardiovascular). P á g i n a | 170 Manuel Mallol Simmonds Enfermedades del aparato digestivo ▪ Factores de riesgo para enfermedad digestiva Un factor de riesgo es una sustancia, hábito o parámetro que incrementa las probabilidades de sufrir una patología hacia un aparato o sistema establecido. Existen los no modificables (genéticos, edad, condición sexual, etc) y los modificables (hábitos) En el aparato gastrointestinal, los factores de riesgo mejor establecidos son las sustancias ingeridas, en particular algunas como el alcohol etílico y los AINEs (Antiinflamatorios no esteroidales). Estas sustancias son conocidas como agentes erosivos y aumentan notablemente el riesgo de sufrir gastropatías erosivas (gastritis, véase más adelante) y otras patologías relacionadas. Un factor de riesgo conductual es el hábito de fumar (la ingesta de humo aumenta el riesgo de sufrir cáncer), la ingesta de comidas ricas en colorantes y preservantes y otras sustancias como realzadores de sabor pueden aumentar también este riesgo. Se ha demostrado que la presencia de Helicobacter pylori en el estómago aumenta considerablemente los riesgos de sufrir una úlcera péptica (véase más adelante). Lo más importante de los factores de riesgo modificables, es que su erradicación disminuye las posibilidades que a corto o largo plazo una persona sufra una patología de las que se mencionan a continuación. ▪ Síndrome de malabsorción La malabsorción corresponde al fenómeno en el cual, ya sea parcial, selectiva o totalmente se vedificultada la absorción a nivel intestinal, causando la carencia de nutrientes a nivel sistémico. Existen patologías como la enfermedad celiaca (enfermedad autoinmune contra el gluten), en donde ocurre una inflamación del intestino delgado ante el contacto con harinas de trigo, con la consiguiente inhibición temporal de las funciones absortivas del mismo. Otras patologías, como la intolerancia a la lactosa (falta o mutación de la lactasa) causan una reacción similar, pero menos violenta. 171 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Algunas parasitosis intestinales (como amebiasis, giardiasis y otros protozoos) pueden causar malabsorción debido a daños en las microvellosidades intestinales y/o en el epitelio intestinal. Lo importante de este fenómeno es, de ser posible, erradicar la causa de la malabsorción. En algunas enfermedades genéticas, como la enfermedad celíaca, se debe erradicar el agente desencadenante, en este caso el gluten. ▪ Gastropatía erosiva Muchas sustancias que son ingeridas pueden ocacionar una irritación de la túnica celular externa del estómago (mucosa) causando una inflamación de la misma denominada gastritis. Como se mencionaba en los factores de riesgo, los AINEs y el alcohol son agentes etiológicos (causantes de enfermedad) importantes, dada su alto consumo y complicaciones posteriores. Una gastritis crónica puede avanzar hacia una complicación denominada úlcera, que consiste en una lesión perforante de las túnicas del estómago (véase más adelante). El principal manejo de esta patología es evitar el agente irritativo de las paredes del estómago. Muchas veces es la misma secreción ácida del estómago la que irrita sus paredes, por lo que se emplean inhibidores de la secreción de ácido denominados bloqueadores de bombas H+ (p ej. Omeprazol) ▪ Reflujo gastroesofágico Cuando existe un trastorno motor, fallas en la región del cardias o píloro puede existir un reflujo gastroesofágico, que consiste en la devolución de comida a través del esófago sin ser violentamente expulsada (como un vómito) y sin llegar hasta la cavidad oral. Generalmente los portadores de esta patología relatan sentir una sensación de “fuego” en la zona del tórax alto, síntoma denominado pirosis. ▪ Ulcera péptica La úlcera es generalmente una complicación de una gastropatía erosiva. Es un tipo de lesión en la cual se destruyen las capas superficiales del estómago y/o duodeno en una zona delimitada (generalmente de 6mm2). La gran complicación de esta patología es la perforación, la cual puede desencadenar un cuadro grave de peritonitis química. Se ha comprobado que la presencia de Helicobacter pylori en el estómago aumenta notablemente las posibilidades de desarrollar una úlcera péptica, por lo tanto la prevención y controles rutinarios son fundamentales para evitar el desarrollo de esta patología. ▪ Cáncer en el tubo digestivo La generación de cáncer en el tubo digestivo se ha comprobado que puede tener multiples orígenes (herencia, hábitos, etc). Se demostró que una ingesta que facilite el tránsito intestinal (frutas, verduras y fibras) disminuye la incidencia de cáncer de colon debido a la menor permanencia de sustancias tóxicas en el órgano, mientras que el cáncer de estómago está ligado a hábitos tabáquicos y a sustancias erosivas como AINEs y alcohol. Existen otros tipos de cáncer de los órganos del aparato digestivo, que no son necesarios de abarcar en este tópico. P á g i n a | 172 Manuel Mallol Simmonds ▪ Vómitos Un vómito es la expulsión violenta de contenido gástrico por la boca, consecuencia de una contracción violenta del estómago y las paredes abdominales, inducidas por una actividad parasimpática excesiva. Este fenómeno puede reflejar muchas cosas, desde patologías localizadas (gastrointestinales) como un trastorno neurológico. Las intoxicaciones y golpes pueden provocar vómitos espontáneos, así como cuadros de inflamación abdominal y traumatismos. ▪ Diarreas Una diarrea es un aumento en el volumen de las heces y de su frecuencia evacuante, al mismo tiempo de una disminución de la consistencia (o aumento del contenido líquido). Existen diferentes tipos de diarrea: secretora (caracterizada por trastornos iónicos que promueven el movimiento de agua hacia la luz del colon), motora, osmótica (provocada por laxantes) e inflamatoria (como en el caso de la enfermedad celiaca). ▪ Inflamación de vísceras abdominales Los órganos que se encuentran en el abdomen pueden inflamarse, generando cuadros como la apendicitis (inflamación del apéndice), colecistitis (inflamación de la vesícula, generada generalmente por un cálculo vesicular o colelitiasis), pancreatitis (inflamación del páncreas), hepatitis (inflamación del hígado), colitis (inflamación del colon) y la más grave de todas, peritonitis (inflamación de la túnica de recubrimiento abdominal), que generalmente es una complicación de las anteriores. ▪ Cirrosis hepática La cirrosis hepática consiste en un daño hepático crónico (DHC), el cual comienza a generar cicatrices dentro de su parénquima. Una de las causas más frecuentes en Chile corresponde al daño debido a la ingesta excesiva de alcohol (y otro tanto porcentaje importante por la infección por virus hepatitis C). Recordemos que al beber alcohol, se absorbe casi en su totalidad por el intestino delgado, pasando a la circulación portal. 173 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El alcoholismo es la enfermedad nerviosa más prevalente en Chile. Se trata de la dependencia de bebidas que contengan alcohol etílico en su composición. Este daño hepático en estadios graves de la enfermedad conlleva a la disfuncionalidad hepática. En este punto existen dos caminos posibles para el afectado/a: un trasplante de hígado o la muerte. Una característica importante es la acumulación de bilirrubina conjugada en el plasma, llevando en un tiempo a la coloración amarillenta de ojos, piel y mucosas, condición denominada ictericia. Otro punto importante es el daño encefálico causado por el exceso de amoniaco en la sangre. Cabe destacar que la urea, componente de degradación de aminoácidos, proviene del amoniaco, y que al estar dañado el hígado, la producción de urea disminuye y el amoniaco aumenta. Te invitamos a no consumir alcohol, y si lo haces, hazlo con responsabilidad: NUNCA conduzcas en estados de ebriedad, puesto que no solamente pones en riesgo tu vida, también pones en riesgo la vida de gente inocente. Ejemplo de ejercicio PSU: MC Si en un individuo se encuentra bloqueado el colédoco debido a la presencia de cálculos, se producirá un problema a nivel de la: k) Absorción de los aminoácidos l) Hidrólisis del almidón a glucosa m) Solubilidad de los hidratos de carbono. n) Emulsión de los lípidos a nivel del duodeno o) Degradación de las proteínas a aminoácidos Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa d). El colédoco es el conducto que comunica la vesícula biliar con el duodeno. Recordemos que la vesícula biliar es donde se concentra y almacena la bilis, un líquido capas de emulsionar lípidos. Si se encuentra obstruido el colédoco, la bilis no llegará al duodeno, por lo que las grasas no podrán ser emulsionadas. Tip PSU Quizás no sea necesario saber perfectamente el nombre de todas las enzimas que actúan en la digestión enzimática, pero si saber el concepto de la digestión enzimática de cada tipo de nutriente, cuales requieren emulsión y cuales requieren más enzimas. También hay que enfocarse hacia los rangos de pH donde las enzimas son activas, y las medidas para prevenirlas. Se debe comprender la digestión como un proceso global, en el que participan fenómenos físicos, químicos y biológicos. Se debe destacar también el importante rol que llevan a cabo lasbacterias del intestino grueso. P á g i n a | 174 Manuel Mallol Simmonds Ejercicios Capítulo X “Aparato digestivo” 1. ¿Cuás(es) de la(s) siguiente(s) afirmación(es) es (son) verdadera(s) respecto a la digestión enzimática? I. La eficiencia digestiva depende principalmente de la concentración de cada una de las enzimas que participan. II. La digestión es un proceso gradual y sincronizado que culmina con la obtención de sustancias absorbibles. III. Uno de los nutrientes que mayor cantidad de enzimas requiere para su completa digestión son las proteínas. a) Solo I b) Solo III c) I y II d) II y III e) I, II y III 2. Respecto a la absorción de nutrientes es verdadero que: a) Los aminoácidos sin importar si tienen carga o no se absorben todos por cotransporte. b) En la absorción de minerales, la osmosis es el proceso que más influye en la incorporación. c) La mayor parte de la glucosa se absorbe mediante difusión facilitada aprovechando el potencial de reposo de la membrana. d) Las grasas se absorben por mecanismos de pinocitosis y de difusión y desde el enterocito salen en un quilomicrón. e) La fructosa utiliza un mecanismo de transporte activo, 3. El(los) órgano(s) en donde al mismo tiempo se realiza digestión enzimática y mecánica es(son) I. La boca II. El estómago III. El intestino delgado IV. El intestino grueso a) I y II b) II y III c) I, II y III d) II, III y IV e) I, II, III y IV 4. La digestión terminal se refiere a: a) Al proceso de absorción de agua y de electrolitos. b) Al proceso digestivo de las proteínas que ocurre en el estómago. c) A la transformación de todos los nutrientes en unidades básicas absorbibles. d) A la formación de heces fecales para producir una eficiente egestión y defecación. e) Ninguna de las anteriores 5. En el proceso de egestión participa: a) El intestino delgado b) El intestino grueso 175 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds c) El sistema nervioso d) La corteza motora e) Todas las anteriores 6. Del cáncer que se produce en el tubo digestivo es(son) afirmación(es) correctas(s): I. Los más comunes son los que se presentan en el estómago, en el colon y en el recto. II. Una dieta rica en grasas y baja en verduras puede favorecer la aparición de ellos. III. Una forma de prevenir su aparición es una dieta abundante en fibra. a) Solo I b) Solo III c) I y II d) II y III e) I, II y III 7. La asociación(es) correcta(s) entre enzima y producto obtenido es(son): I. Pepsina – polipeptidos. II. Enteroquinasa – tripsina. III. Sacarasa – fructosa y glucosa IV. Amilasa pancreática – maltosa a) I y III b) III y IV c) I, II y III d) I, II y IV e) I, II, III y IV 8. ¿En cuál(es) de las siguiente(s) situación(es) el proceso digestivo se realizara con mayor eficiencia? I. Consumiendo alimentos que tengan abundante cantidad de proteínas y grasa. II. Masticando los alimentos el suficiente tiempo para lograr un bolo alimenticio fácil de deglutir. III. Bebiendo abundante agua o bebidas mientras se está comiendo. a) Solo I b) Solo II c) I y II d) I y III e) I, II y III 9. Si mediante una intervención quirúrgica se liga el conducto colédoco, que transfiere la bilis al duodeno, ¿Qué alimento será más difícil de digerir? a) Carbohidratos b) Frutas y Verduras c) Grasas d) Proteínas e) Todas las anteriores P á g i n a | 176 Manuel Mallol Simmonds 10. Con respecto a los factores de riesgo en general, ¿Cuál(es) es(son) la(s) mejor medida(s) a seguir? a) Diagnosticar a tiempo las enfermedades, para tratarlas precozmente b) Elegir la mejor gamma de fármacos, para evitar efectos secundarios indeseables c) Intentar eliminar los que sean modificables y buscar factores protectores d) Revertir todos los factores de riesgo, para así evitar la presencia de enfermedad e) Ninguna de las anteriores. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 E A A C B E E B C C 177 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds C p . X I – S is te m a C a rd io v a sc u la r M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io ¿De qué manera los nutrientes absorbidos en el intestino delgado, el O2 obtenido en los pulmones y el agua, así como muchos otros elementos, pueden viajar por todo el organismo sin descanso? Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 178 Manuel Mallol Simmonds Capítulo XI - El Sistema Cardiovascular En el capítulo anterior se analizó la manera en que el organismo logra procesar y absorber los nutrientes que vienen en los alimentos. Se analizó la complejidad enzimática que interviene en el proceso y los órganos involucrados en ello. Sin embargo una incógnita fue planteada implícitamente. “Los nutrientes se absorben y pasan a la circulación”. ¿Qué es la circulación? ¿Qué es la sangre? ¿Qué es la linfa? Esas preguntas serán respondidas en este capítulo. El Sistema cardiovascular es el encargado de repartir las sustancias elementales para la vida por cada rincón del organismo. Para ello posee un diseño excepcional, en el cual existen vías de ida y vías de vuelta por separado, existe un tejido líquido que lleva los productos a repartir y posee una bomba rítmica y perenne que permite dicho movimiento. Para efectos docentes, debemos separar el Sistema Cardiovascular en sus tres constituyentes: El sistema vascular El sistema cardiaco El sistema linfático La sangre La sangre es el único tejido líquido que posee el cuerpo humano (al igual que el de muchas otras especies). Está formado por células (al igual que cualquier tejido) que llamaremos elementos figurados. Estas células están conectadas por una matriz, que en lugar de ser rígida, está formada por una mezcla consistente de un 95% de agua y un 5% de proteínas (albuminas, globulinas, fibrinógeno, entre otras). Dicha mezcla es conocida como plasma. En la siguiente página se muestra un mapa resumen con los componentes de la sangre 179 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Los eritrocitos (<eritro> rojo, <cito> célula: célula roja), también llamados glóbulos rojos, son las células más abundantes de la sangre (5 millones por mm 3 de sangre). Poseen una forma bicóncava, no poseen ni núcleo ni organelos y tienen una concentración muy alta de hemoglobina (proteína cuaternaria que permite el transporte de CO, CO2 y O2. Se analizará en detalle en la guía de aparato respiratorio). Viven unos 120 días y luego de eso son degradados en el hígado, donde la hemoglobina también es degradada y transformada en bilirrubina y biliverdina (pigmentos biliares). Sangre Elementos figurados (45%) Eritrocitos Leucocitos Trombocitos Plasma (55%) Proteínas plasmáticas (5%) Albúmina Fibrinógeno Globulinas Agua (95%) P á g i n a | 180 Manuel Mallol Simmonds Estas células provienen de la médula ósea roja, ubicada en diferentes huesos según la edad del organismo (en infantes se encuentra en los huesos largos, como el fémur. En adultos se encuentra en los huesos planos, como la pelvis). Esta médula ósea roja da origen a muchas otras células presentes en la sangre, que iremos analizando a medida que se abordan los diferentes contextos. La hormona responsable de la producción de eritrocitos se denomina eritropoyetina, producida por los riñones. Los leucocitos (<leucos> blanco, <cito> célula: célula blanca), también llamados línea blanca o glóbulos blancos, son células nucleadas cuya función radica en la defensa contra organismos externos al huésped. Existe una gran diversidad de ellos. El análisis de susdiferentes tipos y su dinámica es tópico del módulo electivo, en el contexto de inmunología. Los trombocitos (<trombos> coágulo, <cito> célula: Célula de los coágulos) no son células, sino fragmentos celulares (muchas veces con algunas mitocondrias) derivados de células poliploides gigantes llamadas megacariocitos, habitantes de la médula ósea roja. Su función principal es participar en la coagulación sanguínea. 181 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Respecto a las proteínas que existen en el plasma, las que cobran importancia para la PSU son las siguientes: - Albumina: Es una proteína de carga negativa, que ayuda al transporte de sustancias hidrofóbicas (como hormonas esteroidales) y otras sustancias. Tiene un rol fundamental en la regulación de líquidos corporales, a través de la presión coloidosmótica. - Globulinas: Son proteínas relacionadas principalmente con la defensa de organismos (inmunoglobulinas), aunque pueden actuar en la transmisión de señales. - Fibrinógeno: Es una proteína inactiva que participa en la formación del trombo (coágulo) durante la coagulación sanguínea. Requiere una proteína (proteasa selectiva) llamada trombina para poder activarse y formar fibras. ▪ Sustancias que se transportan a través de la sangre La sangre es el tejido a través del cual las sustancias logran repartirse por el organismo, por lo tanto, gran parte de las sustancias biológicas difunden a través de la sangre. Podemos citar algunas: o Hormonas o Fármacos o Nutrientes o Agua o Iones o Toxinas o Gases o Enzimas o Bacterias (en caso de septicemia) o Sales o Metabolitos (intermediarios en rutas metabólicas) ▪ Exámenes practicados a la sangre Sin duda los exámenes de sangre en el área de la salud son de gran utilidad. Es una forma relativamente simple de obtener información acerca de las sustancias que se encuentran en el cuerpo y en qué cantidad. También es posible analizar los elementos figurados o buscar elementos más finos, como marcadores tumorales (indicadores de cáncer). P á g i n a | 182 Manuel Mallol Simmonds Algunos exámenes practicados a la sangre consisten en: o Hematocrito: Centrifugando un tubo especial se puede apreciar el porcentaje de eritrocitos y de plasma de la sangre de un paciente. Normalmente un hematocrito de 45% se considera bueno, teniendo como límite inferior 35% en mujeres y 55% como máxima. Cuando este examen es inferior a 35% la persona sufre un trastorno llamado anemia (falta de eritrocitos en la sangre). o Perfil bioquímico: Arroja información sobre la cantidad de proteínas, lípidos comunes, morfología celular, metabolitos indicadores y otras moléculas presentes en la sangre. Es importante para estimar problemas en algunos aparatos o sistemas. o Búsqueda de β-HCG: Es el examen de confirmación de un embarazo. La β- HCG es una hormona que sintetiza el embrión, por lo tanto su presencia es criterio para confirmar embarazo. Una información útil de conocer en este tiempo en el que las donaciones de sangre se están haciendo más difundidas es ¿Me causará daño donar sangre? La respuesta es variable, dado que no todas las entidades ni personas están calificadas para realizar el procedimiento. Si se realiza en una institución especializada (consultorios, hospitales o clínicas) con personal calificado (enfermeras, auxiliares de enfermería o médicos) no se corren riesgos. La cantidad extraída normalmente es de 500ml, que se recuperará en un par de meses (en una persona sana), sin consecuencias para la persona. Es importante destacar que el organismo puede rápidamente reponer el volumen de sangre circulante (volemia), sin embargo la masa de eritrocitos tarda unos meses en ser recuperada. Por lo tanto, ante una hemorragia intensa, puede que el volumen sanguíneo sea normal, pero los eritrocitos estén muy disminuidos. Existen muchas restricciones para donar sangre. Si la persona es VIH+, hepatitis +, consumió o consume drogas, es anémica o no tolera el procedimiento serán rechazados. Para más detalles, te invitamos a visitar http://www.redsalud.gov.cl/noticias/noticias.php?id_n=922&show=3-2010 (última revisión: 19 de febrero de 2012) ▪ La coagulación sanguínea La naturaleza diseño un mecanismo muy prolijo para evitar que ante una lesión al sistema vascular se pierda mucha sangre. El proceso de formación de un trombo ante una herida superficial se conoce como coagulación sanguínea. Coloquialmente al trombo se le denomina “costra”. Existen dos vías de realizar la coagulación sanguínea: La vía intrínseca (a cargo de unas proteínas llamadas factores de coagulación, secretados por el hígado y el endotelio, donde el rol de la vitamina K es fundamental) y la vía extrínseca (a cargo de la trombina y el fibrinógeno). Lo cierto es que ambas vías ocurren al mismo tiempo cuando aparece una lesión, pero para la PSU nos es importante analizar solo la vía extrínseca. Para realizar la coagulación sanguínea es necesario contar con: o Ca 2+ (iones calcio) o Protrombina o Fibrinógeno o Plaquetas http://www.redsalud.gov.cl/noticias/noticias.php?id_n=922&show=3-2010 183 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Los pasos para la formación del coágulo sanguíneo son los siguientes: Posteriormente a la formación del trombo, en el lugar se podrá apreciar un líquido incoloro. Este líquido corresponde al suero sanguíneo, que tiene una composición casi idéntica al plasma La única diferencia entre el suero sanguíneo y el plasma, es que el suero no tiene fibrinógeno El sistema vascular Ya describimos los componentes y funciones de la sangre. Ahora comentaremos las vías especiales para que pueda ser distribuida correcta y efectivamente hacia todas las regiones del cuerpo. Estas vías constituyen el sistema vascular, que es ampliamente dinámico tanto en su control nervioso como en su capacidad de regular los flujos de sangre y el intercambio de gases. Los elementos que constituyen el sistema vascular son: - Arterias y arteriolas - Venas y vénulas - Capilares La trombina es una proteasa selectiva del fibrinógeno, fabricada por el hígado La fibrina es una proteína capaz de formar una red que “atrape” plaquetas y eritrocitos. P á g i n a | 184 Manuel Mallol Simmonds Los vasos sanguíneos son verdaderos tubos constituidos por diferentes capas a nivel general. Las Arterias y Venas, los vasos de mayor tamaño dentro del sistema vascular, poseen una capa externa o adventicia (más desarrollada en venas), una capa media o muscular- elástica (más desarrollada en las arterias que en las venas) y una túnica interna o endotelio. Las arteriolas y vénulas corresponden a vasos de menor calibre que se encuentran en las proximidades de una red capilar. Poseen solo una capa externa y una capa interna. En el caso de las arteriolas, poseen una capa muscular lisa que responde a estímulos nerviosos. Finalmente, los capilares son los vasos sanguíneos de menor tamaño (microscópicos). Solo poseen una túnica muy delgada como estructura (endotelio) y son los responsables de permitir el intercambio gaseoso a nivel alveolar y a nivel tisular. 185 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds La organización de los vasos sanguíneos en el sistema vascular es la siguiente: Arteria Arteriolas Capilares arteriosos Capilares venosos Venulas Venas A continuación nombraremos algunas arterias de importancia para la PSU: 1. Aorta: Es la arteria más grande y desarrollada del cuerpo. Emerge desde el ventrículo izquierdo. Forma un cayado y desciende por el lado izquierdo del cuerpo. Provee de sangre oxigenada a todo el cuerpo, incluso al mismo corazón, a través de ramas. 2. Arteria pulmonar: emerge desde el ventrículo derecho, donde en una distancia breve sebifurca en ángulo de 180°, formando las arterias pulmonares derecha e izquierda. Dichas arterias llevan sangre rica en CO2 y pobre en O2 a los pulmones, para ser oxigenada. 3. Carótidas: Proveen de sangre oxigenada a la cabeza, incluyendo el cerebro. 4. Renales: Irrigan los riñones. 5. Mesentéricas superior e inferior: Irrigan el intestino delgado y grueso. Por otra parte, las venas principales del cuerpo humano (así como de muchos mamíferos) son: 1. Venas yugulares internas y externas: Drenan la sangre pobre en O2 y rica en CO2 de la cabeza, cuello y encéfalo. 2. Venas hepáticas comunes: Drenan los productos del hígado y su metabolismo a la vena cava superior. 3. Vena cava superior: Vena principal del tórax superior, extremidades y cabeza. A ella desembocan una serie de venas. Desemboca en la aurícula derecha. 4. Venas mesentéricas superior e inferior: Drenan la absorción intestinal y del colon hacia la vena porta hepática. 5. Vena porta hepática: Sistema externo de la circulación venosa que conduce los productos potencialmente tóxicos o poco puros hacia el hígado, donde son purificados y luego integrados a la circulación sistémica. 6. Venas renales: Drenan los riñones hacia la vena cava inferior. P á g i n a | 186 Manuel Mallol Simmonds 7. Vena cava inferior: Vena que drena todo el abdomen (exceptuando los intestinos) y las extremidades superiores hacia el atrio derecho. 8. Venas pulmonares: Son cuatro (dos por pulmón). Estas venas llevan la sangre oxigenada hacia el atrio izquierdo. De esa manera, podemos decir a modo resumido que la sangre rica en oxigeno viaja por la arteria aorta y vuelve a través de las venas cava superior e inferior. Dicha circulación se conoce como circulación sistémica. Otra vía de circulación corresponde a las venas y arterias pulmonares, que corresponde al circuito de la circulación pulmonar. Curiosidades… El sistema cardiaco Este punto del sistema circulatorio es el enfocado directamente al corazón. El corazón es un órgano muscular único, altamente diferenciado a partir de vasos sanguíneos. La función que posee en el organismo es bombear sangre a través de las arterias. Esta bomba está ubicada normalmente en el lado izquierdo del tórax. Posee diferentes capas, que es necesario mencionar: - Pericardio: Doble membrana que envuelve al corazón y parte de los grandes vasos. Es la capa más externa del corazón. - Miocardio: Parte muscular del corazón, que posee actividad contráctil y rítmica. Es única en el organismo (músculo cardíaco) - Endocardio: Fina capa celular que recubre las cavidades internas del corazón. El corazón humano está dividido en cuatro cámaras: dos aurículas y dos ventrículos. Las aurículas son más pequeñas que los ventrículos, y se ubican sobre éstos. Existe tanto una aurícula y ventrículo derechos como izquierdos, y ambos están separados en sentido vertical por un tabique (tabique interauricular o interventricular). ¿Sabías que la superficie total de los capilares es aprox. 100m2? 187 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds La aurícula izquierda está separada del ventrículo izquierdo por la válvula mitral (ó Bicúspide), y la aurícula derecha separada del ventrículo derecho por la válvula tricúspide. Las válvulas están compuestas de valvas (dos en la V. Mitral y tres en la V. Tricúspide). Estas válvulas impiden que la sangre se devuelva hacia las aurículas cuando los ventrículos se contraen. Al corazón llega sangre a través de las cuatro venas pulmonares (lado izquierdo) y las venas cava superior e inferior (lado derecho). El corazón se llena con esa sangre para posteriormente bombearla a través de la arteria aorta (lado izquierdo) y la arteria pulmonar (lado derecho) A continuación presentamos un esquema que puede facilitar la comprensión de los recorridos de la sangre en el corazón. Las caricaturas presentes representan el lugar del cual proviene o se dirige la sangre, según la flecha lo indique: P á g i n a | 188 Manuel Mallol Simmonds Si el corazón fuese extraído de un organismo y mantenido en condiciones ideales, podría seguir latiendo por sí mismo. A esa “independencia” respecto al sistema nervioso se le conoce como automatismo cardiaco. ▪ El ciclo cardiaco Primero, cabe señalar que el ciclo cardiaco esta mediado por puntos generadores de despolarizaciones (fibras miocárdicas especializadas, generadoras de electricidad que contrae el miocardio) llamados nódulos. Existen dos nódulos y un sistema conductor especial. Estos son: o Nódulo Sinusal (NS): Marcapasos natural (generador de ritmo) o Nódulo Auriculoventricular (NAV): Ocurre el relevo de la contracción. o Haz de Hiss: Conduce la electricidad hasta la zona ventricular. o Red de Purkinje: Propaga la electricidad por las paredes ventriculares. En el nódulo sinusal se ubican receptores para ciertas moléculas liberadas por el Sistema Nervioso que pueden mediar la frecuencia de los cíclos, es por eso que se dice que el nódulo sinusal es el marcapasos natural del corazón. Todo el sistema antes descrito esta comunicado a través de gap junctions (uniones entre células en forma de túneles, que actúan como canales iónicos). Introducidas las propiedades eléctricas del corazón, describiremos su ciclo: 1. Tanto aurículas como ventrículos se encuentran relajados. La sangre proveniente de las venas cava llena la aurícula derecha, mientras que la sangre proveniente de las venas pulmonares llena la aurícula izquierda. Este periodo de relajación conoce como diástole auricular. 189 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 2. Una vez que las paredes auriculares sufren una pequeña distención, se activa el NS y se produce la contracción de las aurículas (sístole auricular), con lo que la sangre pasa de ambas aurículas a los ventrículos correspondientes. 3. Como en el NAV existen menos gap junctions que en el NS, la conducción sufre un “relevo” de unos cuantos milisegundos (300ms). Eso da tiempo para que los ventrículos se llenen. 4. Una vez que la contracción se propaga a través del Has de Hiss y la red de Purkinje, ambos ventrículos se contraen (el izquierdo con más fuerza que el derecho, dado que su pared miocárdica es más gruesa). Esto se conoce como Sístole ventricular. 5. Con lo anterior, las válvulas mitral y tricúspide se cierran, para evitar el reflujo sanguíneo. Lo anterior produce el primer ruido cardiaco. La sangre sale con bastante presión hacia las arterias aorta y pulmonar. 6. Luego, los ventrículos se relajan (diástole ventricular), las válvulas semilunares de la Aorta y de la arteria pulmonar se cierran, produciendo el segundo ruido cardiaco. Posteriormente el ciclo se repite. Para la PSU, debes saber que diástole se refiere a relajación del corazón y sístole a la contracción. Hay que repasar que las aurículas no se contraen al mismo tiempo que los ventrículos; eso generaría un colapso del corazón. Cabe destacar que existen sustancias como la adrenalina (que estimula el NS) o los digitálicos (pueden llegar a bloquear el NAV), entre muchos otros, que alteran la transmisión normal del impulso despolarizante del corazón. ▪ El electrocardiograma El electrocardiograma representa la ilustración de la actividad eléctrica del corazón. Su utilidad para el área de la salud es fundamental, pues permite evaluar los diferentes segmentos eléctricos y diagnosticar posibles patologías letales. Los componentes de un electrocardiograma son: - Onda P: Representa la actividad eléctrica de las aurículas - Complejo QRS: Representa la despolarización de los ventrículos (contracción) P á g i n a | 190 Manuel Mallol Simmonds - Onda T: Representa la repolarización de los ventrículos (preparación para un nuevo ciclo) Control nervioso superior del sistema cardiaco El organismo tienereceptores para muchos elementos en puntos estratégicos. Un valor importante de controlar es el pH (que normalmente es de 7,4), puesto que su disminución representa que hay poco oxígeno y mucho dióxido de carbono (ese punto se estudiará en la próxima guía). De esa manera, el encéfalo puede estimular que la frecuencia de ciclos cardiacos aumente al mismo tiempo que la respiración, para asegurar que los tejidos reciban suficiente oxigeno y se elimine suficiente CO2. De todas maneras, este punto se estudiará con mayor profundidad en el módulo electivo de biología. Adaptaciones del sistema cardiovascular El sistema cardiovascular tiene la peculiaridad de poder cambiar muchas propiedades para poder seguir abasteciendo el oxigeno y nutrientes necesarios a distintos órganos. Dos adaptaciones notables son durante el ejercicio intenso prolongado y durante el embarazo. ▪ Adaptación durante el ejercicio intenso prolongado La frecuencia cardiaca (FC) se define como el número de ciclos cardiacos ocurridos durante un minuto. Los organismos pueden variar esta frecuencia dependiendo de la demanda de oxigeno que necesiten los órganos. Cabe señalar que la frecuencia cardiaca esta en íntima relación con la frecuencia respiratoria. En los humanos la FC normal se encuentra entre 70 y 80 latidos por minuto, en reposo. Cuando el organismo comienza un trabajo muscular intenso (correr, saltar, etc. durante un tiempo largo) los músculos necesitan enormes cantidades de ATP para poder llevar a cabo su contracción (detallada en guías del módulo electivo). Ya sabemos que para sintetizar grandes cantidades de ATP es necesario oxigeno. Sin embargo, la velocidad de gasto de ATP en los músculos supera la velocidad de entrega de oxígeno, por lo que se genera una “deuda de oxígeno”. El músculo esquelético comienza a generar ATP a través de la fermentación láctica. Cuando el ejercicio finaliza, el ácido láctico acumulado en los músculos es tan grande que, una vez frío el músculo, este ácido láctico se cristaliza y forma pequeños cristales, los cuales lo hieren mínimamente, pero causando un dolor característico llamado “dolor después del ejercicio”. Este dolor finaliza cuando el ácido láctico es reciclado y/o eliminado. 191 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ¿De qué manera el Sistema Cardiovascular se adapta al ejercicio? Intentando aumentar el nivel de oxígeno que llega a los músculos. Al consumir tan rápido el oxígeno presente en la sangre, con el consiguiente rápido aumento de CO2, ésta tiende a acidificarse. Este factor estimula el corazón y los pulmones para que aumenten sus frecuencias cíclicas a niveles bastante altos, llegando la FC cerca de los 160 latidos por minuto y la respiración cerca de 70 (lo normal es 20). Técnicamente, para referirse a aumentos por sobre los 100 latidos por minuto se habla de taquicardia. Bajo 70 latidos se habla de bradicardia. Existe un concepto llamado gasto cardiaco, que se define como el producto entre la frecuencia cardiaca y el debito sistólico (volumen sanguíneo expulsado del corazón por latido). En los deportistas profesionales, el corazón tiende a crecer debido a la demanda de ejercicio. Al crecer, el corazón bombea más volumen de sangre por latido. De esa manera, el corazón puede alcanzar el mismo gasto cardiaco que alcanzaba agitándose mucho con menos frecuencia cardiaca. ▪ Adaptación en las embarazadas Las mujeres durante el embarazo en general expresan molestias como desmayos y mareos. Estos signos después de los tres primeros meses se deben, en parte, al acostumbramiento del sistema cardiovascular a la sobredemanda de sangre por parte del útero. El útero es el órgano femenino en donde se lleva a cabo la gestación de un nuevo individuo. Durante el primer periodo, el nuevo ser es tan pequeño que el sistema cardivascular aún puede mantener su demanda de nutrientes y oxígeno con el ritmo normal. Sin embargo, luego de los tres primeros meses el crecimiento se vuelve más acelerado, con la consiguiente mayor demanda nutritiva y oxigénica, teniendo el corazón que aumentar la frecuencia cardiaca por un periodo más largo que un ejercicio intenso. Si bien no alcanza la condición de taquicardia, las mujeres expresan sentirse más agitadas. Otro factor importante es el crecimiento del útero. Recordemos que el abdomen sobresaliente de las embarazadas no es el único espacio que abarca el útero, sino que dentro de la cavidad abdominal todas las vísceras han tenido que reacomodarse para que el mismo pueda crecer. Los que no pueden moverse son los vasos sanguíneos, que en el caso de la vena cava inferior se ve parcialmente ocluida cuando ellas se encuentran de espaldas. Es por eso que no se les recomienda dormir de espaldas, y que en caso de sentir mareos recostarse hacia el lado izquierdo (destacando que la vena cava inferior corre en el lado derecho del cuerpo). Una vez ocurrido el parto, el corazón vuelve a su actividad basal. P á g i n a | 192 Manuel Mallol Simmonds El sistema linfático Concluiremos este capítulo analizando un sistema a cargo del Sistema cardiovascular y fundamental para el control de los líquidos corporales y la generación de inmunidad celular: el sistema linfático. El sistema linfático es un sistema vascular cuya función es doble: Es capaz de absorber líquido intercelular (intersticial) cuando éste excede los niveles permitidos y posee especializaciones que cooperan en la producción de Linfocitos T, el leucocito estrella de la inmunidad celular. ▪ Características vasculares del sistema linfático El sistema vascular linfático está formado en una organización muy parecida al sistema venoso. Posee capilares más gruesos que los sanguíneos y tiene vasos de mayor calibre, como el conducto torácico y el conducto linfático derecho. La mayoría de los vasos linfáticos posee válvulas para evitar el reflujo de la linfa, el producto transportado dentro de ellos. Los grandes vasos linfáticos desembocan en la zona superior del tórax, depositando su contenido al sistema de la vena cava superior. Prácticamente todos los órganos del organismo tienen una o varias estructuras conocidas como ganglios linfáticos. Un ganglio es un ensanchamiento pequeño (su máximo tamaño es cercano a una almendra, en estados normales) que posee un contenido abundante de células inmunitarias. La linfa se encarga de transportar moléculas que pueden desencadenar una respuesta inmunitaria hasta los ganglios linfáticos, estimulando la proliferación de un ejército específico. Esa respuesta es la responsable de la inflamación excesiva de los ganglios linfáticos de algunas zonas cuando se adquiere una enfermedad localizada. Otra función importante de la linfa es transportar los quilomicrones (vesículas especializadas en el transporte de ácidos grasos). Probablemente este mecanismo se deba a que estas vesículas no sobrevivirían si tuviesen que pasar por el hígado, como lo hace el resto de los nutrientes. Los órganos que componen el sistema linfático corresponden al Timo (una glándula que desaparece cerca de los 12 años, productora de linfocitos T), el Bazo (un órgano filtrador de sangre y generador de linfocitos B) y las amígdalas palatinas, así como otros órganos linfoides no encapsulados asociados a mucosas (MALT) 193 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds De izquierda a derecha: Amigdalas palatinas, Timo y Bazo. Enfermedades del Sistema Cardiovascular Las enfermedades cardiovascular consisten en enfermedades ligadas a cualquiera de los componenentes sanguíneos del mismo, como la sangre, los vasos sanguíneos o el corazón. ▪ Factores de riesgo cardiovascular (FRCV) A través del estudio Framingham surgió el concepto de factor de riesgo cardiovascular. Al igual que los mencionados en el capítulo X, existen modificables y no modificables.Dentro de los no modificables se encuentra la edad (avanzada es mayor riesgo), el sexo masculino y patologías estructurales. En cuanto a los modificables la lista es bastante amplia. Los más importantes son: - Tabaquismo (daño al endotelio) - Niveles elevados de la lipoproteina apoB - Niveles elevados de LDL y bajos de HDL - Diabetes mellitus - Portador de hipertensión arterial (HTA) - Obesidad El enfoque terapéutico de todas las personas susceptibles de poseer algún tipo de cardiopatía es a revertir los factores de riesgo modificables. ▪ Aterosclerosis La aterosclerosis se define como la generación de una placa de ateroma en la túnica media de las arterias. Una placa de ateroma estable es una estructura rica en LDL oxidada, que posee un núcleo necrótico y una cobertura fibrosa, además de células inflamatorias. A medida que esta placa crece, se va estrechando la luz de la arteria. Esta reducción del diámetro funcional tiene dos puntos de gravedad. El primero y más grave es la posibilidad de un accidente de placa (placa inestable), que consiste en la exposición de material necrótico y colesterol a la luz del vaso, con lo cual comienza a formarse un trombo en las proximidades de la exposición. P á g i n a | 194 Manuel Mallol Simmonds Este trombo podría llegar a generar un fenómeno embólico (liberarse y viajar por la arteria hasta llegar a una zona estrecha de la misma y generar una oclusión del vaso sanguíneo, ocasionando la isquemia (falta de irrigación) del tejido destino. ¿Qué se recomienda para evitar la incidencia de esta enfermedad? Evitar el tabaquismo y llevar una dieta sana, en lo posible con la menor cantidad de grasas. También el ejercicio es una excelente forma para evitar la formación de ateromas. Hay que recordar que la prevalencia entre hombres y mujeres no es igual, y existe un fuerte factor genético relacionado con otras enfermedades cardiovasculares. Las mujeres menopáusicas tienen un mayor riesgo de sufrir estas enfermedades. ▪ Hipertensión arterial La hipertensión arterial (HTA) es una enfermedad en la cual la presión arterial se encuentra anormalmente elevada (sobre 120/80 mmHg). Existe una llamada esencial (sin causa aparente) y secundaria (con causa conocida, corresponden al 10%) Esta enfermedad se asocia comúnmente a la ingesta excesiva de sal (NaCl). Lo cierto es que existe un tipo que es sensible a la ingesta y otro grupo que no lo es. La ingesta de NaCl en los individuos sensibles afecta los niveles osmolares de Na + en sangre, lo cual aumenta la volemia (volumen sanguíneo), gatilla la natriuresis y con ello un aumento en la ADH, explicando (entre otros fenómenos) el aumento de presión. También existen otras patologías, como la obesidad, que pueden causar HTA a través del síndrome metabólico. El Péptido Natriurético Atrial (ANP), secretado por las paredes de la aurícula derecha, y cerebral (BNP) estimula la excreción de agua y Na + por la orina (natriuresis) cuando la presión sanguínea se encuentra elevada. Sin embargo existen casos de hipertensión crónica en los cuales este mecanismo no funciona. 195 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Soplos cardiacos Un soplo es una condición cardiaca en la cual las válvulas auriculoventriculares o arteriales no funcionan de manera correcta, generando un reflujo de sangre. El problema con los soplos es el siguiente, poniendo de ejemplo un soplo mitral. Si la válvula mitral no corta correctamente el flujo de sangre desde el ventrículo izquierdo hacia la aurícula izquierda, al momento de la sístole ventricular parte de la sangre se dirigirá hacia la aurícula respectiva y otra parte hacia la arteria aorta. Esta baja de volumen causa una disminución del gasto cardiaco, con lo cual el corazón estimula el grosor de su pared miocárdica (hipertrofia) para compensar esta falla, sin embargo el organismo no puede suplir dicha deficiencia, generandose una cardiomegalia (crecimiento anómalo del corazón). Hacia el sentido auricular, aumentará la presión en la aurícula izquierda, la cual se trasmitirá a las venas pulmonares, generando la extravasación de líquido hacia los pulmones (congestión pulmonar de origen cardiaco). El tratamiento a los soplos cardiacos depende del grado y la edad. Generalmente los soplos infantiles leves se solucionan con el paso de los años, sin mayores consecuencias. En cambio algunos soplos adultos requieren cirugía para reemplazar las válvulas cardíacas afectadas. ▪ Arritmias Una arritmia es la pérdida del rítmo cardiaco, generalmente causada por daños en el nódulo sinusal, en las vías de conducción cardiacas y/o la aparición de focos ectópicos de despolarización. Su aparición generalmente se asocia a condiciones de infactos que comprometan la arteria sinusal (rama de la coronaria derecha) o bien tras un infarto agudo al miocardio de tipo transmural ▪ Infarto agudo al miocardio Un infarto agudo al miocardio corresponde a un evento patológico en el cual el miocardio sufre un periodo de isquemia que puede llevar a la necrosis miocárdica, con la consiguiente pérdida de función y la muerte. La isquemia es generada por un fenómeno embólico generalmente asociado a aterosclerosis. Dependiendo del nivel de la obstrucción, existen infartos transmurales (graves) y subendocárdicos (menos graves). Los cardiomiocitos al sufrir isquemia pierden la coordinación de contracción, entrando en un fenómeno llamado fibrilación ventricular, donde el miocardio no expulsa sangre del corazón. En ese momento el paciente se encuentra en paro cardiorespiratorio. Los que sobreviven a un IAM transmural desarrollaran insuficiencia cardiaca en un periodo de tiempo mucho menos que otras personas. P á g i n a | 196 Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC En la siguiente figura, ¿Cómo se denomina la cavidad indicada por la flecha? p) Aurícula derecha q) Ventrículo derecho r) Seno carotídeo s) Aurícula izquierda t) Ventrículo izquierdo Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2008. La respuesta correcta en este caso es la alternativa a). En la figura se aprecia un corazón de cuatro cámaras. Juzgando el grosor de la pared miocárdica del ventrículo, las venas que llegan a la cavidad indicada, la arteria pulmonar saliendo del ventrículo, se trata indudablemente de la aurícula derecha. Tip PSU Respeto a este punto es fundamental comprender las adaptaciones del sistema cardiovascular a determinados contextos y su relación con el aparato respiratorio. Debes comprender las funciones de los componentes de la sangre y el ciclo cardiaco, así como su anatomía funcional. Debes hacer el enlace sobre el sistema linfático y la absorción de los lípidos. Ejercicios capítulo XI “Sistema cardiovascular” 1. ¿Cuál de los siguientes elementos figurados no es considerado una célula? a) Eritrocitos b) Leucocitos c) Trombocitos d) Eosinófilos e) Ninguna de las anteriores 197 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 2. Corresponde(n) a característica(s) de eritrocitos: I. Núcleo polimórfico II. Discocitos III. Alta concentración de mioglobina IV. Carencia de mitocondrias a) Solo I b) Solo II c) I y III d) II y IV e) III y IV 3. Usted observa que una persona sufre un accidente de tránsito, con una hemorragia cuantificada aprox. en 800ml. Dado su interés en poder ayudar en algo, le solicitan que realice inmediatamente, luego del ingreso al hospital, un hematocrito. Mientras el paciente yace pálido y sudoroso, llegan los resultados (Hto = 46%), los cuales son normales. ¿A qué se debe la normalidad de este examen? a) El tiempo que sucedió entre la toma del examen y los resultados dio tiempo para que el organismo recuperara la volemia y la masa eritrocitaria. b) Debido a que se perdieron elementosfigurados y plasma, la proporción sigue inalterada, pero en cuanto a número está disminuida. c) El examen se encuentra mal tomado, dado que una hemorragia de 800ml debería tener un Hto bajo. d) La hemorragia provenía de una zona que no incluye al territorio intravascular, por lo que al realizar el examen los resultados serían normales, dado que analizan el intravascular. e) Ninguna de las anteriores. 4. ¿Cuál(es) de los siguientes elementos es imprescindible para la hemostasis? a) Trombocitos b) Factores de la coagulación c) Ca 2+ d) Endotelio en buenas condiciones e) Todas las anteriores 5. ¿Cuál(es) de las siguientes alternativas corresponde(n) a diferencia(s) entre arterias y venas? a) Las venas poseen mayor facilidad para deformarse y almacenar volumen (compliance) b) Las arterias poseen una capa muscular desarrollada c) Las venas poseen válvulas, para evitar la estasis sanguínea. d) La presión sanguínea es mucho mayor en arterias cercanas al corazón que en las venas cercanas al mismo. e) Todas las anteriores 6. Es normal que durante el invierno las manos y pies disminuyan su temperatura. Esto es mediado por un tipo de vaso sanguíneo capaz de regular flujos a través de él. Este vaso sanguíneo corresponde a: a) Capilares b) Arterias c) Vénulas d) Arteriolas P á g i n a | 198 Manuel Mallol Simmonds e) Venas 7. La transposición de grandes vasos es una cardiopatía congénita en la cual la aorta y la arteria pulmonar intercambian sus orígenes. En base a eso, ¿Cómo se encontraría la pO2 en la arteria subclavia izquierda, en una persona que posea esta malformación? a) Alta, dado que es rama directa de la aorta b) Normal, puesto que no posee ramas que gasten el O2 que transporta c) Baja, puesto que está distante de la llegada de las venas pulmonares. d) Baja, puesto que la aorta está llena de sangre rica en CO2 y baja en O2 e) Baja, puesto que esta rama tiene poros especializados para difundir O2 al territorio muscular proximal a su recorrido. 8. Si una persona sufre una intoxicación con digoxina, sufrirá un fenómeno denominado Bloqueo AV completo. ¿Qué esperaría observar en el ECG de esta persona? a) Acortamiento del intervalo PR b) Elongación del intervalo PR c) Acortamiento del intervalo QT d) Normalidad, pues el ECG no sirve para estudiar bloqueos. e) A y B son correctas 9. El siguiente gráfico muestra la variación de flujo sanguíneo uterino vs. Las semanas de embarazo. Si la variación entre la semana 8 y la 36 es aprox. 500ml/min, ¿Cuál(es) de los siguientes enunciados es(son) correcto(s)? I. En las primeras semanas la actividad simpática estará elevada (↑ FC) II. Durante el embarazo hay secreción activa de eritropoyetina III. El aumento de demanda sanguínea del útero puede llevar a una anemia severa, pudiendo ocasionar la muerte si no es controlada. 199 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) I y II e) II y III 10. Luego del parto, ¿Qué sucederá con la volemia elevada? a) Existe un riesgo de transformarse en policitemia b) Se gatillan respuestas análogas a la HTA, eliminando agua para reducir el volumen plasmático. c) En el parto se pierde sangre, la cual ayuda a normalizar la condición hiperémica de la mujer. d) A y B son correctas e) B y C son correctas 11. De los siguientes, ¿Cuál(es) corresponde(n) a FRCV modificables? I. Tabaquismo II. Menopausia III. ApoB y LDL plasmático IV. Sedentarismo V. Diabetes mellitus tipo I (autoinmune) a) Solo I y III b) Solo I y II c) Solo I, III y IV d) Solo I, II y IV e) Solo I y V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 C D B E E D D B D E C P á g i n a | 200 Manuel Mallol Simmonds Capítulo XII - El aparato respiratorio C p . X II – A p a ra to r e sp ir a to ri o M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl Vivimos en un planeta con una atmosfera establecida por una serie de gases. Dentro de ellos, el oxígeno constituye uno de los más importantes para la vida, puesto que participa indispensablemente en la respiración celular. El aparato respiratorio, en sus distintas formas, es el encargado de captar el oxígeno atmosférico y entregarlo a la circulación. http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 201 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo XII – El aparato respiratorio Para comprender el funcionamiento del aparato respiratorio debemos citar la composición de la atmosfera terrestre. La atmosfera del planeta tierra está constituida principalmente por Nitrógeno gaseoso (N2), Oxígeno y otros gases en menor cantidad. El aire que utilizamos para respirar contiene un 78% de N2, 21% de O2 y 1% de otros gases como Argón, CO2, etc. En este capítulo estudiaremos como el organismo logra intercambiar gases y repasaremos el cómo otros organismos que no poseen pulmones pueden respirar. Generalidades anatómicas del aparato respiratorio humano El aparato respiratorio es un conjunto heterogéneo de órganos diseñado para poder captar el oxígeno gaseoso del aire, incorporarlo a la circulación sanguínea y eliminar el CO2 desde la sangre hacia el aire. Sus roles secundarios son aportar en el control del pH y excreción de sustancias tóxicas. A continuación describiremos los constituyentes anatómicos que posee este aparato para lograr cumplir esta función. ▪ La cavidad nasal (nariz) La nariz es una estructura ubicada sobre la cavidad bucal, formada por huesos, mucosas y cartílago, en donde comienza el aparato respiratorio. Externamente se aprecia por sobresalir de la cara y tener en su zona inferior dos agujeros llamados fosas nasales o narinas. En su interior se encuentra tabicada por un hueso llamado vómer y por cartílago, que juntos forman el tabique nasal. El piso de la nariz está constituido por el paladar duro. A cada lado de la nariz existen unas protuberancias curvas llamadas meatos nasales o cornetes. En ellos desembocan las cavidades que existen en torno a la nariz llamadas senos paranasales. Es importante destacar la existencia de dos capas celulares internas de la cavidad nasal: la pituitaria amarilla, la cual posee las fibras nerviosas que otorgan el sentido del olfato, y la P á g i n a | 202 Manuel Mallol Simmonds pituitaria roja, que posee abundantes vasos sanguíneos y se encarga de entibiar el aire que ingresa al organismo. A su vez, cada narina esta tapizada con numerosos vellos y células con cilios (prolongaciones similares a las microvellosidades), con la función de atrapar el polvo y partículas que puedan ser peligrosas para el aparato respiratorio inferior (pulmones). ▪ Faringe y laringe El tramo de la faringe dedicado solo a la nariz es llamado nasofaringe, que al poco descender se transforma en la orofaringe. El aparato digestivo y respiratorio se conectan gracias a la faringe. Bajo la raíz de la lengua a partir de la faringe se bifurca un tubo hacia delante llamado laringe. La laringe es un órgano fonético, especializado para producir diferentes sonidos y tonalidades. Este órgano posee en su inicio un cartílago especial, controlado por el sistema nervioso autónomo (aquél que actúa por sí mismo, sin nuestra influencia) llamado epiglotis. La epiglotis permite que la comida no pase hacia la laringe cuando se deglute. Bajo la epiglotis se encuentran los dos cartílagos que forman el esqueleto de la laringe: El cartílago tiroides y el cartílago cricoides. Estos dos cartílagos se articulan en su zona trasera para formar una bisagra. Dentro de ellos se encuentran las cuerdas vocales verdaderas, compuestas de material fibroso. Estas cuerdas pueden variarsu tensión dependiendo de la fonación que se les imponga, pues el músculo que las tensa es de control voluntario. ▪ Tráquea La tráquea comienza dos dedos por sobre el borde superior del esternón. Consiste en un tubo compuesto por anillos semilunares de cartílago que conduce el aire desde la laringe hasta los pulmones. Este tubo, al igual que la laringe, esta tapizado internamente por células que pueden “barrer” las partículas y el polvo atrapados en el mucus hacia la cavidad oral o nasal, para ser deglutidos involuntariamente. Técnicamente esa característica se denomina “epitelio ciliado”. 203 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Bronquios primarios Los bronquios primarios son la bifurcación de la tráquea a nivel de dos dedos por debajo del borde superior del esternón. Existe un bronquio derecho, más corto, y uno izquierdo, más largo. Los bronquios conducen el aire desde la tráquea hacia los pulmones. ▪ Pulmones Los pulmones son órganos complejos, ubicados bajo la jaula torácica (y ocupando gran parte de ella). Dentro de ellos los bronquios sufren divisiones hasta transformarse en unidades microscópicas y muy finas capaces de realizar el intercambio gaseoso: los alvéolos. Las ramificaciones bronquiales subsiguientes a los bronquios primarios, hasta llegar a los alveolos, consisten en: Bronquios primarios Bronquios secundarios Bronquios terciarios Bronquiolos Sacos alveolares Alveolos La característica destacable de estas ramificaciones es que las túnicas formantes de estos tubos van desapareciendo a medida que se van ramificando. Así, los bronquios terciarios tienen menos cartílago que los primarios, los bronquiolos tienen muy poco cartílago, y es irregular. Los alvéolos no poseen cartílago. Los pulmones están rodeados por dos capas que secretan un liquido entre ellas llamada pleura. Esta capa reduce la posible fricción a causa de la constante expansión y contracción pulmonar. P á g i n a | 204 Manuel Mallol Simmonds ▪ Los alvéolos El alveolo es el lugar donde se lleva a cabo la hematosis. Es análogo a un globo: casi esférico cuando se infla. Tiene solo una membrana fina formada por unas células llamadas neumocitos I (<neumos> pulmón, <cito> célula: célula del pulmón). Esta membrana está rodeada por capilares, los cuales tienen solo una membrana de endotelio que es muy fina. De esa manera, el espacio entre el aire y el eritrocito es mínimo, permitiendo que los gases difundan por gradiente de presión. 205 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds No son los pulmones los que permiten la entrada de aire hacia ellos, sino que es el tórax quien permite dicha dinámica, que será analizara en el siguiente punto. Dinámica fisiológica de la respiración en vertebrados superiores Para que la respiración pueda ocurrir, los pulmones deben llenarse de aire. Se mencionó que esa dinámica ocurre gracias al tórax. Los fenómenos físicos que rigen este proceso son las diferencias de presión. El tórax es una región formada por huesos (12 costillas, el tramo torácico de la columna vertebral y el esternón) y músculos (diafragma, músculos intercostales y músculos de la espalda). El fenómeno fisiológico que permite la respiración es que la caja torácica se encuentra aislada de la cavidad abdominal, por lo tanto el movimiento de músculos puede hacer cambiar la presión que se encuentra en su interior. Y es, de hecho, la clave de la respiración: el tórax puede generar una presión negativa respecto a la presión atmosférica. Por las leyes físicas, el aire tenderá a moverse donde hay una menor presión, por lo tanto con la generación de presión negativa el aire entrará a los pulmones. ¿Quiénes son los responsables de la generación de la presión negativa? La respuesta son dos músculos: el diafragma y los músculos intercostales. El diafragma es un músculo que forma el piso hermético del tórax. Cuando se contrae tiende a moverse hacia la cavidad abdominal, generando una presión negativa. Cuando se relaja, vuelve a su posición normal, haciendo que el aire del tórax salga. Los músculos intercostales internos y externos también participan de la respiración. Los intercostales externos elevan las costillas, expandiendo la cavidad torácica. Los intercostales internos tienden a bajar las costillas, lo que aumenta la presión dentro del tórax y ayuda a expulsar el aire. Existen músculos accesorios de la respiración, como los escalenos y los serratos. No son tópico de la PSU, por lo que no nos adentraremos en ellos. En resumen, la presión negativa del torax se genera por expansión de la caja torácica y la restitución de la presión normal es causada por la contracción de la misma. ▪ Etapas de la respiración 1. Contracción simultanea del diafragma y de los intercostales externos. La caja torácica aumenta su volumen, y al ser hermética su presión se torna negativa con respecto a la atmosférica. 2. El aire entra a los pulmones, expandiéndolos. 3. Se relajan el diafragma y los intercostales externos. Se contraen los intercostales internos. La presión del tórax ahora es positiva con respecto a la atmosférica, por lo que el aire es expulsado. Las primeras dos etapas corresponden a la inspiración, mientras que la tercera corresponde a la espiración. El control de este ciclo es en su mayoría autónomo (a cargo del tronco encefálico), sin embargo tiene influencias voluntarias en ciertas ocasiones. P á g i n a | 206 Manuel Mallol Simmonds INSPIRACION ESPIRACION Curiosidades… El intercambio gaseoso y el transporte de gases El intercambio gaseoso o hematosis se define como la entrega de ciertos gases y la captación de otros, para poder transportarlos. Este intercambio se da en dos lugares de los organismos pluricelulares: en el lugar donde existe contacto con el aire y en los tejidos. Nos enfocaremos en describir a los organismos que poseen eritrocitos. Recordando la guía anterior, los eritrocitos tienen cantidades elevadas de una proteína cuaternaria llamada hemoglobina. Esta proteína tiene cuatro subunidades con un grupo hemo en el centro de cada una. Un grupo hemo es un grupo especial que solo poseen algunas proteínas (como la clorofila y los citocromos) consistente en un anillo proteico con un átomo especial en su centro. En la clorofila ese átomo especial es magnesio, y en la hemoglobina es un átomo de hierro. ¿Sabías que la superficie del total de alvéolos es equivalente a una cancha de tenis? 207 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ese átomo de hierro es el que permite transportar Oxígeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono, y es el que transforma a la hemoglobina en una proteína muy especial. Al tener cuatro de esos átomos, la eficiencia que tiene es asombrosa. La hemoglobina cuando transporta gases adquiere diferentes nombres, que es necesario mencionar: Combinación Nombres Hemoglobina + O2 Oxihemoglobína Hemoglobina + CO2 Carbaminohemoglobina Hemoglobina + CO Carboxihemoglobina Existen diferentes tipos de hemoglobina, según su composición molecular: Nombre Formada por Característica Hemoglobina A Dos cadenas α y dos β 97% Hb del adulto Hemoglobina A2 Dos cadenas α y dos δ 2,5% Hb del adulto. Aumentada en talasemia. Hemoglobina F Dos cadenas α y dos γ Hemoglobina del feto. Gran afinidad al O2 (más que la HbA), desplazamiento a izquierda de CSHb Hemoglobina S Dos cadenas α y dos S (β mutada) Hb de la anemia de células falciformes El intercambio gaseoso ocurre en base a las diferencias de presiones de gases específicos. Es algo muy parecido al gradiente de concentración de un soluto. A continuación explicaremos cómo ocurre este intercambio. En los pulmones la presión de O2 (pO2) es mayor que la sangre que llega a los alvéolos porlas arterias pulmonares y la presión de CO2 (pCO2) es menor que la sangre que llega a los alveolos. Por lo tanto, en base a: pO2 capilar < pO2 pulmonar pCO2 capilar > pCO2 pulmonar P á g i n a | 208 Manuel Mallol Simmonds El CO2 se liberará de la hemoglobina y difundirá hacia el aire de los pulmones, mientras que el O2 difundirá hacia los eritrocitos para formar oxihemoglobina. El intercambio gaseoso en los pulmones ha terminado, expulsándose el CO2 y captándose el O2. La sangre oxigenada ahora desemboca en vénulas que formarán las venas pulmonares. Cuando esa sangre llegue a los tejidos ocurrirá otro intercambio gaseoso, en donde las condiciones son: pO2 capilar > pO2 tisular pCO2 capilar < pCO2 tisular En base a la misma regla anterior, el oxígeno tenderá a difundir hacia los tejidos y el dióxido de carbono hacia los eritrocitos, siendo captada una parte de él por la hemoglobina para formar carbaminohemoglobina. Esta sangre pobre en O2 y rica en CO2 viajará nuevamente a los pulmones, donde el ciclo se repetirá. Una característica interesante de la hemoglobina es su curva de saturación, que en condiciones normales es menos afín por el O2 cuando es escaso y es más afin cuando se encuentra en abundancia. 209 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Al estar aumentada la pCO2 y disminuida la PO2, el pH es ácido, por lo que la Hb se hace menos afín al O2 (desplazamiento a la derecha, libera O2 más fácil). Al contrario, en territorios donde la pCO2 es baja, el pH es más alto, por lo que la curva se aferra al O2 (tiende a retener O2, desplazamiento a la izquierda). Existen sustancias que desplazan la curva de la hemoglobina, como el CO (véase más adelante) que desplaza la curva hacia la izquierda por su afinidad irreversible a la Hb (que utiliza espacios que podría utilizar el O2, por lo que el poco O2 ligado se une con más fuerza). La mioglobina es una proteína similar a una subunidad de la hemoglobina que tiene una mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina. Al encontrarse solo en el músculo, suministra oxígeno cuando éste escasea. P á g i n a | 210 Manuel Mallol Simmonds ▪ El monóxido de carbono (CO) El monóxido de carbono o CO es una molécula generada a raíz de la combustión incompleta de un hidrocarburo, principalmente en los vehículos. El problema con este gas, inodoro e incoloro, es que la Hb tiene 210 veces mayor afinidad por él que para el O2, por lo que este gas “se fija” a la hemoglobina, disminuyendo el nivel de oxigeno que llega a los tejidos (Hb libre para captar O2) En base a su enorme afinidad, altos niveles de carboxihemoglobina (40% de Hb total) causan la muerte por anoxia (falta letal de oxígeno), la cual lleva a la fibrilación ventricular (paro cardiaco). ▪ Transporte de CO2 El O2 viaja casi en su totalidad unido a hemoglobina, por lo que no detallaremos su transporte. Sin embargo, el CO2 viaja de diferentes maneras. Las tres formas de transportar el CO2 corresponden a: En forma de carbaminohemoglobina Como CO2 disuelto (la minoría) Como ion bicarbonato (la mayoría). ¿Cómo se obtiene bicarbonato desde el CO2? La respuesta se contesta con la presencia de una enzima especial: La anhidrasa carbónica. Esta enzima es capaz de transformar el CO2 y H2O en bicarbonato. La reacción química de este proceso consiste en: La reacción primero forma ácido carbónico (H2CO3) y luego este se disocia en un ión bicarbonato y un protón. Esta reacción tiende a acidificar la sangre (por el aumento del pH, debido a su vez por el aumento de la concentración de H + ) y es por esa razón que el aumento de concentración de CO2 estimula los detectores de acidez, haciendo que la frecuencia cardiaca y respiratoria aumenten para eliminar el exceso de CO2. Adaptaciones del organismo a situaciones con poco oxígeno. El organismo tiene diversas maneras de adaptar su situación cuando se encuentra en lugares con poco oxígeno. Sin embargo, estos mecanismos dependen de la cantidad de hemoglobina que se encuentre libre para recibir oxígeno. Eso guarda relación con los lugares en los que escasea el oxígeno pero abundan gases tóxicos para el organismo, como el monóxido de carbono. 211 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds En el caso de las alturas, donde la presión de oxígeno es menor, el organismo tarda unos días en adaptarse a dicha situación. El organismo comienza a sintetizar un mayor número de eritrocitos (aumentando la concentración de eritropoyetina), con el objetivo de aprovechar mejor el poco oxigeno que existe. Junto con lo anterior, se agudizan los mecanismos para aprovechar dicho oxígeno y reducir los efectos de la presencia de CO2. Los efectos inmediatos de ubicarse en un lugar a gran altura se conocen como “apunarse”, y consiste en mareos, desmayos, acidosis respiratoria (producto del poco O2) y fatiga. En ese momento se encienden los mecanismos para aumentar la frecuencia respiratoria, dependientes del tronco encefálico. La respiración en otros organismos ▪ Respiración en peces Los peces y algunos anfibios cuentan con un sistema llamado respiración branquial, consistente en un sistema de membranas que ponen en contacto los capilares respiratorios con el agua, en donde puede ocurrir el intercambio de gases. El agua se mueve a través de estas membranas, captando el CO2 de los capilares pobres en O2 y permitiendo a los eritrocitos captar O2 del agua. Cabe señalar que las ballenas no poseen este sistema, puesto que son mamíferos y poseen pulmones. P á g i n a | 212 Manuel Mallol Simmonds ▪ Respiración en insectos Los insectos portadores de exoesqueleto tienen un mecanismo de respiración primitivo del aparato respiratorio, consistente en tráqueas (tubos análogos a la tráquea de los vertebrados superiores) que conectan el medio externo (a través de una apertura llamada estigma) con las células del organismo a través de múltiples ramificaciones. El intercambio se produce por difusión, sin diferencias de presión. Los insectos inferiores, como los geohelmintos (p. ej. Lombrices) respiran a través de poros en su piel. ▪ Respiración en plantas Las plantas, además de necesitar incorporar CO2 para la fotosíntesis requieren incorporar O2 para su metabolismo mitocondrial. Para ello utilizan unos poros llamados estomas, que responden a la acción del acido abscísico (una hormona vegetal) para abrirse. A través de conductos llamados traqueidas, los gases (entre ellos el O2) viajan hasta las células donde son requeridos. Al mismo tiempo se expulsa parte del CO2 desecho y agua (para generar potencial hídrico y absorber agua en las raíces). Las hormonas vegetales y su dinámica serán analizadas en la guía de Sistema Endocrino. 213 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Enfermedades del aparato respiratorio Factores de riesgo El aparato respiratorio al ser selectivo respecto al estado de la materia que puede entrar a él, todos los factores de riesgo están asociados a sustancias volátiles que puedan ingresar y causar daños. Existen factores genéticos relacionados, como la atopia (respuestas exageradas ante alérgenos), etc. La exposición a tóxicos volátiles, contaminación, fumar, entre otros, constituyen los principales factores de riesgo respiratorios. ▪ Cigarrillos Los cigarrillos que se venden hoy en día en Chile contienen tabaco tratado con diferentes sustancias para otorgar diferentes características, olores, sabores, etc. Junto con el alcohol es la droga más consumida en Chile. El problema del cigarrillo consiste en dos de sus componentes, entre muchos otros que no son motivo de análisis para la PSU: la nicotina, la sustancia que genera la adicciónal cigarrillo, y el benceno, un potente carcinógeno presente en los cigarrillos. El benceno es capaz de hacer mutar células del parénquima pulmonar, traquea, laringe y boca, pudiendo generar cáncer en esas zonas. EPOC EPOC significa Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (COPD en inglés), que consiste en una patología respiratoria irreversible del tipo obstructivo (patrones obtenidos mediante espirometría). Existen dos fenómenos patológicos que intervienen en el establecimiento de una EPOC: o Enfisema: A causa del daño que provoca el humo del cigarrillo en los alvéolos, los tabiques interalveolares comienzan a romperse formando bulas. El pulmon se encuentra hiperinsuflado y la capacidad para intercambiar O2 por CO2 se vuelve limitada. o Bronquitis crónica: Gracias a los agentes irritativos que posee el humo del cigarrillo, los bronquios finos sufren un proceso de endurecimiento e inflamación, lo que limita el flujo aereo. P á g i n a | 214 Manuel Mallol Simmonds El principal factor desencadenante de la EPOC es el tabaquismo, por lo tanto una de las medidas esenciales para mejorar la calidad de vida de las personas que la parescan es la suspensión del hábito tabáquico. Cualquier sustancia que ayude a mejorar el flujo de aire o la candidad de oxígeno (respectivamente, β2-Agonistas, corticoides y oxígenoterapia) mejora el pronóstico de estas personas. Asma El asma es una enfermedad obstructiva reversible presente en lactantes, niños y adultos. Básicamente es una enfermedad en la cual los bronquios son reactivos a inflamarse ante una serie de sustancias (alérgenos), fenomeno denominado hiperreactividad bronquial. 215 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El tratamiento de estas personas radica en el uso correcto de terapia broncodilatadora y antiinflamatoria inhalada (β2-agonistas + corticoides inhalados). Neumonia El termino neumonía hace referencia a una infección pulmonar localizada, generando un cuadro de fiebre, dolor en pecho, tos, etc. Esta infección es comúnmente causada por una bacteria denominada Streptococcus pneumoniae o neumococo. En medicina esta enfermedad es conocida como NAC (Neumonia adquirida en la comunidad) para hacer una diferencia con el agente etiológico principal (existen las NIH; Neumonia Intrahospitalaria, que son mucho más complicadas de tratar) La bronconeumonía es causada por otros agentes etiológicos y puede comprometer sectores de ambos pulmones. Con el tratamiento antibiótico específico (generalmente Penicilina G Sódica o derivados penicilínicos) la infección se revierte. P á g i n a | 216 Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC En el altiplano, la presión parcial de oxígeno en el aire es menor que a nivel del mar. ¿Qué opción describe correctamente los mecanismos de adaptación a la altura de una persona que se traslada al altiplano? u) Disminuye el contenido de hemoglobina en los glóbulos rojos, lo que permite un mejor intercambio de oxígeno y anhídrido carbónico en la altura. v) Se incrementa el número total de células sanguíneas, lo que permite aumentar la concentración de oxígeno en la sangre. w) Aumenta el número de glóbulos rojos y de hemoglobina, lo que produce un aumento de la capacidad total de la sangre para transportar oxígeno x) Disminuye la neurotransmisión a nivel muscular, lo que reduce la actividad física realizada y produce aletargamiento. y) Aumenta la cantidad de proteínas disueltas en el plasma, lo que disminuye el nivel de anhídrido carbónico de la hemoglobina Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2008. La respuesta correcta en este caso es la alternativa c). La alternativa a) es incorrecta, debido a que si disminuye el contenido de hemoglobina en los eritrocitos disminuiría la capacidad total de transportar oxígeno, y en una condición en la cual escasea el organismo busca aumentar su capacidad. La alternativa b) es incorrecta debido a que la única manera de aumentar la concentración de oxígeno en la sangre es produciendo más eritrocitos. Recuerda que las células sanguíneas también se componen de leucocitos. La alternativa c) es la correcta porque destaca el aumento de la capacidad total del transporte de O2 aumentando el número de eritrocitos y de hemoglobina. La alternativa d) no sucede bajo las condiciones planteadas en el problema, sino que es más común verlo bajo condiciones de inanición. La alternativa e) es muy improbable que suceda. Tip PSU Recuerda intentar establecer el enlace con el Sistema Cardiovascular y las adaptaciones conjuntas ante diferentes demandas. Debes dominar el proceso y la dinámica del intercambio gaseoso y conocer como otros organismos pueden respirar. Ejercicios capítulo XII “Aparato respiratorio” 1. Si a un primate de experimentación le administro un gas que inhiba la función de los nervios laríngeos recurrentes (que inervan los músculos de la laringe), ¿Qué consecuencia podrá observarse? a) Pérdida de la voz b) Dificultad respiratoria c) Laringoespasmo d) Dificultad en la función de la epiglotis e) Todas las anteriores 217 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds 2. Uno de los principales factores en la dinámica fisiológica de la respiración es la presión. Si tengo una persona voluntaria que ingresa a una cámara hiperbárica a 2ATM de presión, ¿Cuál(es) de las siguientes afirmaciones es(son) correcta(s)? I. El esfuerzo que deberá realizar al espirar igual que en condiciones normales II. El esfuerzo que deberá realizar al inspirar es el doble que en condiciones normales III. Si no realiza resistencia muscular al inspirar puede sufrir una ruptura pulmonar (neumotórax). a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) I y II e) II y III 3. La miastenia gravis es una enfermedad autoinmune en la cual existe un daño en los receptores de acetilcolina en el músculo, la cual es responsable de estimular su contracción. Las personas que fallecen lo hacen a causa de una insuficiencia respiratoria aguda. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones con respecto a la situación es correcta? a) Al no poder moverse a voluntad, las personas no pueden desplazarse hacia lugares mejor ventilados, por lo que comienzan a entrar en estados hipoxémicos. Lo anterior gatilla la aceleración de la frecuencia respiratoria, mayor demanda de O2 y agravamiento de la situación. b) Al no poder utilizar los musculos intercostales, la presión intratorácica generada es muy alta, lo cual impide que el aire entre en la inspiración, gatillando la insuficiencia respiratoria c) Siempre y cuando estas personas no realicen grandes esfuerzos musculares- respiratorios esta enfermedad no entra en crisis que amenacen con la vida d) Cuando esta enfermedad ataca en número crítico los receptores de acetilcolina en el diafragma, se produce parálisis diafragmática, con lo cual la inspiración se ve seriamente perjudicada. e) Ninguna de las afirmaciones anteriores es correcta 4. Un periodo prolongado de inhalación de CO puede producir la muerte por un fenómeno representable a través del desplazamiento a la izquierda de la curva de disociación de la hemoglobina. ¿Qué quiere decir dicho desplazamiento? a) La hemoglobina tiende a resistir menos ante variaciones de pH, por lo que tiende a desnaturalizarse en pH acido. b) La hemoglobina une con más fuerza a un elemento, por lo que tienen que existir gradientes de presiones parciales muy grandes para liberar el sustrato. c) La hemoglobina tiende a unir elementos en las subunidades del lado izquierdo, que son más fuertes que las del lado derecho. d) Los protones que son liberados de la transformación del ácido carbónico a bicarbonato afectan la afinidad de la hemoglobina por su sustrato. e) Cuando existe una gran cantidad de tampónen la sangre, la movilización de gases no ocurre. 5. La sustitución 6GluVal en la hemoglobina es característica de una patología que impide el correcto uso de esta proteína por los eritrocitos. Esta patología corresponde a: P á g i n a | 218 Manuel Mallol Simmonds a) Anemia drepanocítica b) Anemia perniciosa c) Anemia hemolítica d) Anemia megaloblástica e) Anemia ferropénica 6. El transporte de CO2 en la sangre ocurre principalmente a través de: I. HCO3 - II. CO2 en solución III. Carbaminohemoglobina a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) I y II e) II y III 7. Si se inhibe la anhidrasa carbónica, la consecuencia principal para la sangre será: a) Elevación del pH b) Elevación de la viscosidad c) Disminución del pH d) Disminución de la viscosidad e) Inhibición de las funciones eritrocitarias 8. De las siguientes sustancias, ¿Cuál(es) está(n) relacionada(s) con el término “apunarse”? I. Eritropoyetina II. N2 III. Adrenalina IV. Tronco encefálico V. Quimioreceptores a) I y II b) I, III y IV c) I, IV y V d) II y V e) Solo V 9. ¿Cuál de las siguientes conductas es el factor de riesgo respiratorio más frecuente? a) Vivir en ciudad contaminada b) Fumar c) Exposición a sustancias volátiles tóxicas d) Predisposición genética e) Sedentarismo 10. Una persona de 67 años presenta sensación de ahogo recurrente, menciona fumar 40 cigarrillos al día y trabajar en una planta de producción de pinturas. ¿Qué enfermedad piensa usted que pudiese tener esta persona? 219 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds a) Asma b) Influenza c) Neumonia d) EPOC e) Ninguna de las anteriores 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A C D B A A C C B D P á g i n a | 220 Manuel Mallol Simmonds Imagen: Lago Rila, Bulgaria. Nótese la forma semejante a un riñón. C p . X II I – E x cr e ci ó n M an u el M al lo l S im m o n d s I M e d io Son funciones vitales del organismo el sintetizar energía, poder movilizarse, tener un arduo trabajo bioquímico, etc ¿Qué sucede con los desechos de dichos procesos? La respuesta es EXCRECION. El organismo posee diferentes métodos de deshacerse de los desechos metabólicos, que destacaremos dentro de éste tópico. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ 221 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Capítulo XIII - La excreción El organismo produce y consume constantemente elementos tóxicos o inútiles para el mismo, por lo que deben ser eliminados. Esta eliminación de sustancias que no le son de utilidad al organismo se conoce como excreción, y puede ser llevada por diferentes ramas: La piel, los pulmones, el aparato digestivo y los riñones. En este capítulo estudiaremos la anatomía básica de los riñones y la forma en la que otros aparatos participan eliminando sustancias del organismo. El aparato nefrourinario El aparato nefrourinario (o renal) se define como un conjunto heterogéneo de órganos cuya función se enfoca en la extracción y eliminación de sustancias sobrantes y/o tóxicas de la sangre. Posee diferentes órganos, los cuales son: Los riñones, los uréteres, la vejiga urinaria y la uretra. ▪ Los riñones Los riñones corresponden a dos órganos pequeños ubicados en la zona trasera de la cavidad abdominal (cerca del hígado y bazo). Tienen vastas conexiones nerviosas y vasculares, denotando la gran importancia que tienen. La función de los riñones es purificar la sangre de sustancias sobrantes o tóxicas de la sangre, eliminándolas a través de un fluido conocido como orina. La sangre que llega a los riñones llega a través de las arterias renales, ramas directas de la arteria aorta. Gran cantidad de sangre llega a estos órganos, siendo el segundo órgano más perfundido después del cerebro. Estas arterias penetran al riñón y dentro de él se ramifican en arterias lobulares y estas a su vez en arterias más pequeñas, generando arteriolas y redes capilares, organizadas en glomérulos (ovillos de arterias) correspondiente cada uno a un nefrón (o nefrona), la unidad funcional del riñón. Existen un millón de nefrones en total. La sangre que llega a cada glomérulo lo hace a través de una arteriola aferente y sale a través de una arteriola eferente. Esta arteriola luego forma una red de capilares peritubulares, que finalmente se unen para formar vénulas y venas con los mismos nombres que las arterias correspondientes. Estas venas formarán las venas renales (una por riñón), las que afluyen hacia la vena cava inferior. La anatomía microscópica del nefrón, así como la fisiología de la formación de la orina, se analizarán en profundidad en el módulo electivo. La orina es un fluido amarillento formado principalmente por agua y sales, dentro de las cuales se encuentran los exesos de iones, desechos metabólicos (urea), protones en exceso, etc. P á g i n a | 222 Manuel Mallol Simmonds Los riñones son capaces de detectar cambios en la presión arterial, pudiendo eliminar agua o iones cuando es muy elevada. Pueden retener mucha agua cuando la sangre es muy concentrada en iones y sales. La dinámica del equilibrio del agua en el organismo se conoce como equilibrio hídrico. Este equilibrio en conjunto con el equilibrio de los riñones para controlar los niveles de electrolitos y sales en el organismo recibe el nombre de equilibrio hidrosalino. Dentro de los riñones es posible encontrar cálices (tubos recolectores de orina producida en los nefrones) Existen cálices menores que desembocan en cálices mayores, que a su vez desembocan en la pelvis renal, estructura similar a una copa que conecta los ductos renales (uréteres) con una bolsa de almacenamiento de orina, la vejiga. ▪ Ureteres Los uréteres son dos conductos que conectan los riñones con la vejiga. La orina que se produce en los riñones viaja a través de los uréteres para caer gota a gota en la vejiga. 223 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ Vejiga La vejiga es una bolsa muscular-lisa insertada en el interior de la pelvis que almacena la orina producida por los riñones. Posee un músculo llamado detrusor, que es capaz de contraerse cuando las paredes de la vejiga se distienden, proceso llamado reflejo miccional. Por la cara inferior posee una estructura llamada cuello vesical, que conecta la vejiga con una estructura llamada uretra. La vejiga no absorbe líquido. Retener la orina no hará que esta se vuelva más o menos concentrada. ▪ Uretra La uretra es un conducto que conecta la vejiga con el medio externo del organismo. Se analizará en detalle en la guía de sexualidad, dado que forma parte de los aparatos reproductores femenino y masculino. En los hombres la uretra mide aproximadamente 19cms, mientras que en las mujeres solo 3cms. Esta diferencia es la que predispone a las mujeres a sufrir una mayor incidencia de cistitis (inflamación de la vejiga) o uretritis (inflamación de la uretra), mejor conocidas como infección urinaria. P á g i n a | 224 Manuel Mallol Simmonds Curiosidades… La piel como órgano excretor La piel es el órgano más grande el organismo. Si bien su función primaria no es la excreción, indirectamente a través de la sudoración (solución con agua y gran cantidad de sales) algunas sustancias tóxicas disueltas en el medio extracelular pueden ser expulsadas. El sudor, además, ayuda a eliminar sales y a disminuir la temperatura superficial de la piel. Esta última es la principal función del sudor. Los pulmones como órganos de excreción Los pulmones no son órganos de excreción primarios,sin embargo ayudan enormemente a la excreción de sustancias volátiles (que pueden evaporarse con facilidad). Esencialmente se produce la excreción del CO2 producido a través de la respiración celular. Sin embargo, cuando el organismo se ve intoxicado con etanol (alcohol etílico), presente en los destilados bebestibles, el hígado no es capaz de metabolizar toda la cantidad presente en el plasma sanguíneo, por lo que el alcohol llega a la circulación sistémica, ramificándose hacia el cerebro (donde produce mareos, pérdida de conciencia y de la capacidad del lenguaje, disminución de las respuestas reflejas, etc). Cuando el etanol pasa por la circulación pulmonar, al ¿Sabías que si pudiésemos tomar todos los nefrones de cada riñón y alinearlos, la fila formada sería más larga que una fila con 5.000 autos? 225 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds momento de encontrarse en la circulación alveolar, se evapora, expulsándose junto al CO2 y otros desechos volátiles. Esta es la razón del característico “aliento etílico” de las personas que han consumido alcohol en grandes cantidades. En algunas enfermedades se produce el mismo fenómeno, oscilando un olor característico. En la descompensación de la diabetes melitus tipo I llamada cetoacidosis diabética, la eliminación de acetona por los pulmones produce un “aliento cetónico” (aroma similar a la solución para quitar el esmalte de uñas). El aparato digestivo y la excreción El aparato digestivo posee una importante función de excreción. Las excretas contienen material inutilizable por el organismo, que si permaneciese dentro de él podría ocasionar un grave daño. Dicha función ya fue estudiada en el capítulo X. El hígado tiene un importante rol en la eliminación de sustancias tóxicas del organismo. Cabe recordar que todo lo que se absorbe en el intestino delgado está obligado a pasar por el hígado antes de integrarse a la circulación sistémica. Cuando se consumen fármacos, alcohol, toxinas de diferentes procedencias, etc. el hígado se encarga de metabolizar y eliminar la gran mayoría de ellas. Estos productos de desecho hepático son vertidos en el tubo digestivo a través de la bilis. Recordemos también que en el hígado se metabolizan las proteínas antiguas, como la hemoglobina, de manera que la bilirrubina y la biliverdina pueden considerarse productos de desecho. Como se mencionó antes, cuando los niveles de algunas toxinas superan la velocidad de eliminación del hígado, esas toxinas pasan a la circulación sistémica, produciendo enfermedades o estados característicos de cada una. Resumen de las sustancias excretadas más comunes. Finalmente, podemos decir que el rol de la excreción es esencial para poder conservar un estado de vida óptimo. Cuando el aparato nefrourinario falla, la persona se debe someter a un procedimiento llamado diálisis, en el cual la sangre es filtrada por una maquina que imita las propiedades de los riñones, que en casos de insuficiencia renal, no son capaces de lleva a cabo su función. A continuación entregamos las principales sustancias excretadas por el organismo: Nombre Producida por Eliminada por CO2 Respiración celular Espiración Agua Respiración celular / Ingesta excesiva Transpiración, orina y excretas. Sales y iones Ingesta excesiva / Acumulación anómala Orina y transpiración P á g i n a | 226 Manuel Mallol Simmonds Bilirrubina y biliverdina Degradación de hemoglobina Bilis NH4 + (ion amonio) Metabolismo de proteínas en invertebrados y peces. Orina Urea / Acido Úrico / Amoniaco Metabolismo de proteínas en peces y vertebrados superiores Orina Etanol Consumo personal Pulmones, bilis, orina. Fármacos Consumo personal Bilis, excretas. Ejemplo de ejercicio PSU: MC Si en un individuo se encuentra bloqueado el colédoco debido a la presencia de cálculos, se producirá un problema a nivel de la: a) Absorción de los aminoácidos b) Hidrólisis del almidón a glucosa c) Solubilidad de los hidratos de carbono. d) Emulsión de los lípidos a nivel del duodeno e) Degradación de las proteínas a aminoácidos Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa d). El colédoco es el conducto que comunica la vesícula biliar con el duodeno. Recordemos que la vesícula biliar es donde se concentra y almacena la bilis, un líquido capas de emulsionar lípidos. Si se encuentra obstruido el colédoco, la bilis no llegará al duodeno, por lo que las grasas no podrán ser emulsionadas. Tip PSU Esta guía representa algunas segundas funciones que muchos aparatos y sistemas poseen, aparte de su función principal. Esto representa como la evolución ahorro “material” para constituir vías de excreción con un aparato particular, en ayuda con otros sistemas y aparatos, mientras realizan otras funciones. Es importante que comprendas esta asociación y sepas el objetivo y vías de excreción. Es recomendable que profundices con bibliografía extra para abarcar un espectro más grande de excreción. 227 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ejercicios Capítulo XIII “La exceción” 1. La unidad funciónal del riñon, que lleva a cabo la formación de la orina mediante los procesos de absorción, filtración y secreción, corresponde a: a) Nefrón b) Acino c) Estróma d) Sarcómero e) Ninguna de las anteriores 2. Entre los productos excretados en la orína no se encuentran: I. Urea II. Iones III. Glucosa IV. Albúmina a) Solo I b) Solo III c) Solo I y II d) Solo III y IV e) Solo II y IV 3. El pintarse la piel con sustancias no aptas (témperas, etc), puede llegar a sér dañino en términos excretivos por: a) Inhibición de la síntesis de vitamina D b) Alteración de los pigmentos melanocíticos c) Obstrucción de las glándulas sudoríparas d) Modificación del estráto córneo e) Todas las anteriores 4. El hígado es una glándula principalmente exocrina que participa en la actíva eliminación y neutralización de sustancias tóxicas para el organismo. ¿De que manera son eliminados dichos desechos? a) Vía conjugación con glucoronato y paso a la circulación suprahepática b) Vía conjugación con glucoronato y eliminación biliar c) Vía conjugación a través del citocromo P450 y paso a la circulación suprahepática d) Vía conjugación con estercobilina y eliminación biliar e) Vía conjugación con acetaldehído y paso a la circulación mesentérica 5. ¿Qué enunciado explica mejor el estado de ebriedad? a) El aumento de la ingesta de OH representa un mayor gasto de ATP en los enterocitos, con lo cual la energía disponible para la metabolización hepática disminuye, aumentando la [OH] plasmática y causando efectos tóxicos en el encéfalo. b) El aumento de la ingesta de OH es tóxico para los hepatocitos, por lo cual su necrosis es directamente proporcional a la cantidad de OH no metabolizado en el plasma, causando los efectos tóxicos conocidos en el SNC. c) La ingesta de pequeñas cantidades de OH induce pequeñas zonas de necrosis, las cuales son reemplazadas por tejido conectivo, llevando a un estado de cirrosis hepática. d) Normalmente el OH consumido es metabolizado a acetaldehído por la OH- Deshidrogenasa, y a su vez el acetaldehído es neutralizado a acetado por la aldéhido P á g i n a | 228 Manuel Mallol Simmonds deshidrogenasa, pero cuando los niveles de OH superan los niveles de actividad de dichas enzimas, aumenta la concentración de OH y Acetaldehido en el plasma, causando los efectos conocidos en el SNC. e) La ingesta de grandes cantidades de OH induce al cese del ciclo de la urea en el hígado, por lo cual se acumula más amoniaco de lo normal en la sangre, causando edema cerebral y consiguientemente los efectos conocidos en el SNC. 6. ¿Por qué es inútil que una persona que ha ingerido alcohol se lave los dientes parano tener aliento etílico? a) Porque el OH es capaz de neutralizar el mentol (un tipo de alcohol) de la pasta de dientes, por lo cual el olor se potencia. b) Porque el OH volátil no se almacena en la boca, sino que en la cavidad estomacal. c) Porque el OH se transforma en vapor en los pulmones, por lo cual no sirve de nada aplicar un perfume a un componente del aparato digestivo d) Porque el OH se metaboliza en los pulmones, por lo cual no sirve de nada aplicar un perfume a un componente del aparato digestivo e) Ninguna de los anteriores 7. ¿Cuál de las siguientes sustancias no se elimina a través de los pulmones? a) CO2 b) OH c) NH3 d) Cuerpos cetónicos e) N2 1 2 3 4 5 6 7 A D C B D C C 229 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Imagen: Hemoglucotest, utilizado para monitorizar la glicemia en personas diabéticas. C p . X IV – S is te m a e n d o cr in o M an u el M al lo l S im m o n d s II M e d io El organismo no sería lo que es si no existiese algún método para integrar todas las funciones que en él ocurren. Pero sí existen. El sistema nervioso y el sistema endocrino son dos potentes vías a través de las cuales el organismo y los diferentes sistemas y aparatos pueden establecer comunicación entre sí Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 230 Manuel Mallol Simmonds Capítulo XIV - El sistema endocrino Los sistemas y aparatos que se encuentran en el organismo no actúan ni pueden actuar aislados, sino que todas las dinámicas que pertenecen a cada uno están interrelacionadas. El concepto destacado de estas relaciones se conoce como integración sistémica, y es llevada a cabo por dos sistemas íntimamente relacionados entre sí: - El Sistema Nervioso - El Sistema Endocrino En esta guía analizaremos el Sistema Endocrino (SE), que depende del Sistema Nervioso (SN) a través de un eje llamado eje neuroendocrino. Las hormonas y las glándulas son conceptos muy importantes que serán definidos y analizados a lo largo de este documento. Para los efectos de algunos diagramas, las claves son: Las hormonas Las hormonas son mensajeros químicos de origen peptídico o lipídico, que pueden influir en la actividad celular de una determinada localización (tejido diana o blanco). El otro grupo de mensajeros que existen en el organismo son los neurotransmisores, pertenecientes al Sistema Nervioso. La principal diferencia que existe entre el actuar de los neurotransmisores y las hormonas consiste en: o La duración del efecto del SE es mayor a la del SN o La rapidez de la respuesta del SE es menor a la del SN o Las hormonas pueden viajar a lugares muy alejados de su origen, no así los neurotransmisores. Las hormonas son sintetizadas en células particulares conformantes de glándulas endocrinas. Cabe señalar que existen tres tipos de glándulas: o Endocrinas: Vierten sus productos directamente a la sangre. o Exocrinas: Vierten sus productos a través de un ducto. o Anficrinas: Tienen comportamiento exocrino y endocrino. El único componente de esta división es el páncreas. Las glándulas endocrinas son células que pueden existir en unidades singulares o unidades pluricelulares, que se les asocia a la producción de hormonas. Esta secreción puede ser endocrina (hacia la sangre), autocrina (la célula que la produce se regula a sí misma) o paracrina (una célula regula a las células vecinas). Las glándulas exocrinas generalmente fabrican “jugos” que son vertidos en otra cavidad. Por ejemplo el jugo pancreático y la bilis. 231 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds ▪ ¿Cómo actúan las hormonas? Las hormonas son mensajeros celulares, es decir, necesitan un receptor celular específico para que esa célula pueda interpretar el mensaje. Es a través de ese razonamiento que los grupos celulares poseen diferentes receptores endocrinos, en base a su localización y función. Así, los receptores en las gónadas (testículos y ovarios) no son los mismos que los receptores del estómago (por ejemplo). Las hormonas peptídicas actúan de distinta manera que las hormonas esteroidales (lipídicas). Las primeras poseen receptores en la membrana plasmática, afectando la actividad de segundos mensajeros intracelulares (como el cAMP; Adenosin monofosfato cíclico). Ese fenómeno se conoce como transducción de señales celulares. En palabras simples, la hormona se contacta con el receptor de membrana, que reacciona y genera un nuevo mensajero dentro de la célula. Las hormonas esteroidales, a diferencia de las peptídicas, pueden cruzar con relativa facilidad la membrana plasmática. Una vez dentro de la célula, se unen a proteínas transportadoras debido a su carácter hidrofóbico. Estas hormonas actúan directamente en el núcleo, estimulando la síntesis de determinadas proteínas, que afectaran la actividad de la célula. En síntesis, las hormonas actúan: o Peptídicas Membrana plasmática o Esteroidales Núcleo Existen otras moléculas que actúan de manera similar a las hormonas: los neuropéptidos y las prostaglandinas. Los neuropéptidos son hormonas que genera el sistema nervioso para controlar la actividad de ciertos territorios (por ejemplo, las endorfinas que regulan el dolor y las emociones). Las prostagandinas son moléculas derivadas del acido araquidónico, un acido graso esencial perteneciente al conjunto omega-6. A través de la enzima COX-1 (ciclooxigenasa-1) este acido graso es convertido en diferentes prostaglandinas, que causan la inflamación. P á g i n a | 232 Manuel Mallol Simmonds Los fármacos conocidos como AINES (Antiinflamatorios no esteroidales como el ácido acetilsalicílico, ibuprofeno, etc) en general inhiben la COX-1, deteniendo la síntesis de prostaglandinas y frenando el proceso de inflamación. Ahora que ya hemos comentado los datos esenciales de las hormonas en general, estudiaremos una característica fundamental en el actuar del sistema endocrino: el autocontrol hormonal. Autocontrol hormonal El autocontrol hormonal se conoce de mejor manera como retroalimentación (o feedback en inglés). En un proceso genérico, una retroalimentación es donde el último paso puede controlar al primero. En términos endocrinos existen dos tipos: la retroalimentación negativa y la retroalimentación positiva. ▪ La retroalimentación negativa En este tipo de retroalimentación, la última hormona de la vía endocrina es capaz de inhibir el primer paso de su síntesis, a modo de autocontrolar la cantidad de ella que hay en circulación. Un ejemplo es la secreción de T3 y T4 (hormonas tiroideas). El hipotálamo secreta TRH, que estimula a la adenohipófisis a producir TSH, que a su vez estimula a la tiroides a producir T3, T4 y otras hormonas. Los niveles elevados de T3 y T4 en la sangre inhiben la secreción de TRH y TSH, a modo que la secreción de T3 y T4 disminuya y se mantenga dentro de límites estables. ▪ La retroalimentación positiva En este tipo de retroalimentación, la última hormona de la vía endocrina es capaz de estimular la producción de ella misma o de otra hormona. Un buen ejemplo corresponde a la creciente secreción de estrógenos antes de la ovulación del ciclo menstrual, lo que provoca que se incrementen los niveles de LH. 233 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Ahora que sabemos las generalidades de las hormonas y como ocurre el autocontrol de sus secreciones analizaremos las diferentes rutas endocrinas que existen en el organismo. El hipotálamo y la glándula hipófisis El hipotálamo consiste en una zona de núcleos neuronales (conjunto de cuerpos neuronales) pertenecientes al diencéfalo,ubicados hacia la base del encéfalo. Esta glándula se encarga de controlar gran parte de la actividad de la glándula hipófisis. Entre otras funciones, esta glándula controla sensaciones como el hambre, parte de la sed, el sueño y la vigilia, integra la información procedente de las cortezas cerebrales de asociación, sensitivas y motoras para responder con estímulos endocrinos adecuados. Puede considerarse el principal responsable del eje neuroendocrino, y es quien controla gran parte del sistema endocrino. La glándula hipófisis (o pituitaria) es una pequeña estructura del tamaño de un frijol ubicada en la base del cerebro en una estructura ósea llamada silla turca del hueso esfenoides (hueso parte de la base del cráneo). Posee dos lóbulos: uno anterior llamado adenohipófisis o hipófisis anterior y otro posterior llamado neurohipófisis o hipófisis posterior. La adenohipófisis tiene un origen diferente al sistema nervioso, por lo que no está conectado directamente a él. La neurohipófisis está formada por las terminales axónicas de las neuronas hipotalámicas, por lo que actua a razón de un reservorio de hormonas hipotalámicas. P á g i n a | 234 Manuel Mallol Simmonds Las hormonas que sintetiza el hipotálamo corresponden a: Nombre Función Tipo de hormona TRH (Hormona liberadora de tirotropina) Estimula a la adenohipófisis a que secreta TSH Péptido GnRH (Hormona liberadora de gonadotropinas) Estimula a la adenohipófisis a que secrete LH y FSH Péptido CRH (Hormona liberadora de cortocotropina) Estimula a la adenohipófisis a que secrete ACTH Péptido SRH (Hormona liberadora de somatotropina) Estimula a la adenohipófisis a que secrete GH Péptido Factores inhibidores Inhiben algunas secreciones adenohipofisiarias como de prolactina y de angiotensina II Péptido Las hormonas que sintetiza la adenohipófisis corresponden a: Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona TSH (Hormona tiroestimulante) TRH (hipotálamo) Estimular la secreción de hormonas tiroideas Glucoproteína LH (Hormona Luteinizante) GnRH Estimular la secreción de hormonas sexuales. Cooperar con la gametogénesis Glucoproteína FSH (Hormona Foliculoestimulante) GnRH Estimular la gametogénesis. Glucoproteína ACTH (Hormona adrenocorticotrópica) CRH Estimula la secreción de aldosterona y cortisol Polipéptido GH (Hormona del crecimiento; somatostatina) SRH Estimula el crecimiento muscular, óseo y corporal en general. Proteína Prolactina Estímulos de lactancia Estimula la producción de leche en las glándulas mamarias Proteína Angiotensina II Disminución de la presión arterial Estimula la absorción de Na + en el túbulo distal del nefrón en el riñón. Péptido Las hormonas que secreta la neurohipófisis, provenientes del hipotálamo, corresponden a: Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona Oxitocina Sistema Nervioso Estimula las contracciones uterinas y la salida de la leche, entre otras. Péptido ADH (antidiurética, vasopresina) Aumento de la osmolaridad plasmática Estimula a expresión de acuaporina-II, absorbiendo agua en el nefrón. Péptido 235 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Existen variantes del enanismo (enfermedad caracterizada por el poco o nulo crecimiento corporal) dependientes de la secreción de GH por la adenohipófisis. En el mercado existen medicamentos que contienen GH artificial, la cual puede inyectarse y suplir la carencia de esta hormona, solucionando a su vez el problema de crecimiento. La glándula tiroides La glándula tiroides es una glándula bilobulada ubicada en la zona inferior de la laringe que sintetiza tres hormonas: T3 (triyodotironina), T4 (tiroxina) y calcitonina. T3 y T4 son hormonas que utilizan yodo para su conformación, es por eso que una ingesta periódica de yodo ayuda a evitar trastornos en la tiroides (actualmente la sal de mesa común viene adicionada con yodo). Estas hormonas ayudan a mantener una frecuencia cardíaca normal, una correcta presión sanguínea y una temperatura corporal estable. Estos efectos se producen a través de la estimulación de enzimas metabólicas que generan calor. La calcitonina es una hormona que estimula la transferencia de calcio desde la sangre hacia los huesos. En conjunto con las formas activas de la vitamina D, son los responsables de la correcta utilización del calcio consumido en la dieta. Entonces, las hormonas que produce la tiroides son: Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona T3 (triyodotironina) TSH (adenohipófisis) Eleva el metabolismo basal con aumento de la FC, temperatura y presión sanguínea Aminoácidos yodados P á g i n a | 236 Manuel Mallol Simmonds T4 (tetrayodotironina, tiroxina) TSH (adenohipófisis) Eleva el metabolismo basal con aumento de la FC, temperatura y presión sanguínea Aminoácidos yodados Calcitonina Aumento de concentración de Ca 2+ en el plasma Estimula la transferencia de calcio desde la sangre hacia el hueso Péptido ▪ Enfermedades tiroideas El hipertiroidismo se define como una actividad por sobre lo normal de la glándula tiroides, destacando el exceso plasmático de triyodotironina y tiroxina. Se produce hiperactividad, pérdida de peso, aumento de la frecuencia cardiaca, presión sanguínea y temperatura corporal. Aparece el bocio exoftálmico. 237 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El hipotiroidismo se caracteriza por una deficiencia de T3 y T4. Se puede apreciar un retardo del crecimiento, hipoactividad, aumento de peso y baja de temperatura corporal y frecuencia cardiaca. Si el hipotiroidismo ocurre durante el embarazo, el feto nacerá con cretinismo, una forma de retardo mental. En el caso del hipotiroidismo existe en el mercado una hormona T4 sintética (levotiroxina) llamada de forma comercial Eutirox (chile). Con la administración de T4, la poca producción de esta hormona por la glándula tiroides se ve compensada, solucionando gran parte de los síntomas de esta enfermedad. Glándulas suprarrenales (adrenales) Las glándulas suprarrenales son dos estructuras ubicadas sobre cada riñón. Poseen una corteza y una médula, con diferentes composiciones celulares y, por consiguiente, diferentes secreciones endocrinas. La corteza suprarrenal posee receptores para la ACTH, producida en la adenohipófisis. Al ser estimulada, libera dos hormonas: cortisol (un glucocorticoide) y aldosterona (un mineralocorticoide). Los corticoides son hormonas esteroidales producidas en la corteza suprarrenal. El cortisol es una hormona que actúa en estados de estrés psicológico, siendo una hormona que aumenta los niveles de glucosa plasmáticos a través de la gluconeogénesis (formación de glucosa a partir de lípidos y aminoácidos). La aldosterona es una hormona que actúa en estados de presión sanguínea baja. Su efecto es en el nefrón, donde estimula la secreción de potasio y la absorción de sodio, a modo de elevar la presión sanguínea. La medula suprarrenal se comporta como un terminal del sistema nervioso simpático, liberando adrenalina y noradrenalina. Estas hormonas son llamadas hormonas del luchar o huir (fight or flight), debido a que actúan en situaciones de peligro, en donde el organismo se prepara fisiológicamente para realizar alguna de las dos opciones. Cotidianamente es fácil notar su efecto cuando sufrimos un susto por “factor sorpresa”. El análisis de este tipo de respuestas será profundizado en el módulo electivo. Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona Cortisol ACTH Gluconeogénesis Glucocorticoide Aldosterona ACTH Absorción de Na + , secreción de K + en el riñón. Mineralocorticoide Adrenalina y Noradrenalina (epinefrina/norepionefrina) Situación de peligroAumenta la FC y la FR, disminuye el movimiento intestinal, aumenta la perfusión sanguínea a los músculos, dilata las pupilas e inhibe la secreción de saliva. Catecolaminas (derivadas de aminoácidos) P á g i n a | 238 Manuel Mallol Simmonds Curiosidades… El páncreas Se mencionó que el páncreas es una glándula anficrina, es decir, posee tejido exocrino y endocrino. La mayor parte del páncreas corresponde a tejido exocrino, dedicado a la producción de enzimas y jugos digestivos. El tejido endocrino del páncreas está organizado en islotes celulares conocidos como islotes de Langerhans. Dentro de estos islotes existen varios tipos de células: o Células α: Representan la mayoría de las células de los islotes. Secretan Glucagón o Células β: Representan la segunda mayoría de las células los islotes. Secretan insulina. o Células δ: Representan el aprox. el 7% de las células de los islotes. Secretan somatostatina o Células ε: Son minoría. Secretan ghrelina o Células PP: Son raras. Secretan polipéptido pancreático. ¿Sabías que crecemos mientras dormimos? 239 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds Islotes de Langerhans (círculos amarillos) La glicemia se define como el nivel de glucosa presente en el plasma sanguíneo. Este dato es determinante para las hormonas como el glucagón y la insulina, que son las encargadas del mantenimiento adecuado de sus niveles. La glicemia normal consiste en 100 mg de glucosa por dl de sangre (1mg/ml). Cuando este nivel se encuentra sobre 126 mg/dl se habla de hiperglicemia. Cuando está por debajo de 76 mg/dl se habla de hipoglicemia. Así, las hormonas pancreáticas se pueden representar a través de la siguiente tabla: Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona Glucagón Hipoglicemia Estimula la glucogenólisis para elevar la glicemia Proteína Insulina Hiperglicemia Aumenta la permeabilidad de las células a la glucosa y aumenta su metabolismo. Estimula la glucogenogénesis Proteína Somatostatina Niveles de glucosa, glucagón e insulina en plasma Inhibe la secreción de insulina y glucagón Proteína Ghrelina Hipersecreción gástrica Estimula el apetito Péptido PPY (polipéptido pancreático) Ingesta de determinados alimentos Controla la secreción gástrica y pancreática. Polipéptido P á g i n a | 240 Manuel Mallol Simmonds ▪ Diabetes mellitus La diabetes mellitus es una enfermedad que tiene dos variantes presentes en la población, pudiéndose diferenciar un tipo I y un tipo II. Sin embargo, todas las diabetes poseen un denominador común: la pérdida del control de la hiperglicemia, con la consiguiente aparición de un exceso de orina (poliuria) con presencia anormal de glucosa en la orina (glucosuria). La diabetes mellitus tipo I o también llamada insulinodependiente es un trastorno autoinmune en el cual el organismo ataca las células β de los islotes de Langerhans. Con la consiguiente destrucción de las células productoras de insulina, dicha hormona no está disponible para la homeostasis de la glucosa, por lo que sus niveles superan los normales (hiperglicemia). Este tipo de diabetes se mantiene estable recurriendo a insulina sintetizada in vitro. Esta insulina se administra por vía IM (intramuscular), llegando a la circulación sistémica y pudiendo actuar sobre los receptores insulínicos, disminuyendo el sobrenivel de glucosa en el plasma. Otro tipo de diabetes es la tipo II o insulinoindependiente. En este tipo de enfermedad, el organismo junto con una baja producción de insulina, no posee la cantidad de receptores insulínicos adecuados para que esta hormona ejerza sus efectos. El tratamiento para este tipo de diabetes es educación diabetológica, una dieta específica e insulinoterapia (lo cual puede llegar a mejorar los síntomas hasta en un 25%) y administración de hipoglicemiantes orales. En un porcentaje variable de un 2% a un 13% las embarazadas pueden desarrollar un tipo de diabetes específica, llamada diabetes gestacional. Este tipo de diabetes se relaciona con la posible interacción que pueda existir entre hormonas propias del embarazo (como la B-HCG y el lactógeno placentario) y los receptores de insulina, disminuyendo los efectos de esta última. Hay que destacar que la conocida diabetes insípida corresponde a un trastorno relacionado con un déficit en la producción de ADH y no de insulina. Las gónadas Las gónadas corresponden a órganos endocrinos sexuales y reproductores de organismos masculinos y femeninos. Los testículos son las gónadas masculinas y los ovarios son las gónadas femeninas, ambos en pares. La ultraestructura de cada uno será analizada en los capítulos de sexualidad. 241 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El rol endocrino que poseen estos órganos es fundamental para un correcto desarrollo sexual y reproductor. Hay que señalar que están controlados directamente por la adenohipófisis. ▪ Ovarios Las hormonas secretadas por los ovarios actúan en forma de ciclo, conocido como ciclo ovárico o menstrual, el cual será descrito en las guías de sexualidad. Ahora nos enfocaremos en las hormonas producidas por estos órganos: o Estrogenos: Son una familia de hormonas esteroidales dentro de las cuales se encuentra el 17-B-estradiol y otros. Son responsables de los caracteres sexuales femeninos y del crecimiento endometrial. También intervienen en el metabolismo de grasas y en la fijación del calcio al hueso. En ambos sexos se secreta en la corteza adrenal además de los ovarios, sin embargo en el hombre su cantidad es muy baja como para producir los efectos antes mencionados. o Progesterona: Es una hormona esteroidal producida por el cuerpo lúteo dentro de los ovarios. Esta hormona promueve la maduración del endometrio, a la espera de la futura implantación de un nuevo ser. o Inhibina: Es una hormona peptídica secretada en ambos sexos. Inhibe la liberación de FSH, interfiriendo con una posible ruta de retroalimentación hacia los estrógenos, no muy clara actualmente. Interfiere en cierto grado la gametogénesis femenina, sin embargo no detiene la masculina. ▪ Testículos Las hormonas secretadas por los testículos no poseen un ciclo, sino que se producen constantemente, al igual que la gametogénesis masculina. Los testículos poseen dos tipos de células endocrinas: Las células de Leydig y las células de Sertolli, cada una productora de una hormona diferente. Estas hormonas corresponden a: o Testosterona: Es una prohormona esteroidal que es responsable de los caracteres sexuales secundarios masculinos. Se secreta también en mujeres en menores cantidades, teniendo importantes roles regulatorios de algunas emociones. También interviene en la gametogénesis. Su forma activa es la dihidrotestosterona. Es secretada por las células de Leydig. o Inhibina: Posee las mismas características que la inhibina femenina: inhibe la secreción de FSH. Es secretada por las células de Sertolli. Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona Progesterona LH Madurar el endometrio Esteroidal Estrógenos LH Caracteres sexuales femeninos Esteroidal Testosterona LH Caracteres sexuales masculinos Esteroidal Inhibina ↑ Androgenos Inhibir la secreción de FSH Péptido P á g i n a | 242 Manuel Mallol Simmonds ▪ Problemas de hormonas relacionadas con la fertilidad La gametogénesis (fabricación de gametos) en ambos sexos está fuertemente modulada por moléculas endocrinas, siendo las de mayor importancia el binomio gonadotrópico (LH y FSH) y los andrógenos propios de cada sexo (Testosterona, Progesterona y estrógenos). Existen enfermedades que afectan la retroalimentación negativa propia de estas hormonas, elevando los niveles generalmente de LH y FSH. Muchas veces estas consecuencias estánligadas a problemas metabólicos y/o a problemas nutricionales, como la anorexia y bulimia (entre otros). La solución a fallas en la secreción de alguna de estas hormonas es utilizar moléculas análogas sintéticas, como el levonorgestrel (un análogo de la progesterona). La administración correcta de los suplementos hormonales esta bajo estricta responsabilidad del médico tratante. Siguiendo una correcta terapia hormonal, los problemas sobre la fertilidad en las personas que padecen enfermedades endocrinas pueden llegar a disminuir notablemente Otras glándulas endocrinas ▪ Paratiroides Las glandulas paratiroides corresponden a cuatro glándulas del tamaño de una lenteja ubicadas dos a cada lado de la tiroides, por su cara posterior. Estas glándulas sintetizan una hormona llamada paratohormona (PTH) la cual es antagonista de la calcitonina: estimula la liberación de calcio desde el hueso hacia el plasma sanguíneo, cuando los niveles de Ca 2+ plasmáticos son bajos (hipocalcitemia). ▪ Aparato digestivo El aparato digestivo también es capaz de generar hormonas para controlar su funcionamiento. El estómago es capaz de producir ghrelina, hormona que afecta la sensación psicosomática del apetito. Este órgano también secreta gastrina, una hormona que estimula la secreción de acido clorhídrico y pepsinógeno. 243 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds El intestino delgado secreta colecistokinina (colecistocinina, CCK), una hormona que en conjunto con la ghrelina afectan la sensación del apetito. Nombre Estimulada por Función Tipo de hormona Ghrelina Hipersecreción gástrica ↑ Apetito Péptido Colecistokinina Hipersecreción gástrica ↑ Apetito Péptido Gastrina Presencia de alimentos en estómago; cafeína ↑ Secreción de HCl y pepsinógeno Péptido Las fitohormonas No solamente los animales son capaces de regular e integrar sus funciones a través de hormonas. Las plantas poseen células endocrinas especializadas en secretar sustancias que actúan como hormonas, las cuales se denominan fitohormonas para diferenciarlas de las hormonas animales. Estar hormonas corresponden a: Nombre Se produce en Función Tipo de hormona Ácido absícico Hojas, tallos, raíces y frutos verdes Inhibición del crecimiento, cierre de estomas para evitar la pérdida de agua. Derivado carotenoide Giberelina Meristemas de yemas apicales y radiculares, hojas jóvenes, embriones. Germinación de semillas y alargamiento de tallos. Estimula la floración. Derivado de ent- Kaureno (hidrocarburo cíclico) Auxina Meristemas de yemas apicales, hojas jóvenes, embriones. Estimulan el alargamiento del tallo y provocan la dominancia apical Aminoácido modificado (L- triptófano) Etileno Frutos en proceso de maduración, nudos de tallos, hojas moribundas. Maduración de frutos, senescencia de hojas. Gas Citocininas Raíces, embriones y frutos, se desplazan desde la raíz hacia otras zonas. Estimulan la división celular y la germinación. Derivadas de Adenina P á g i n a | 244 Manuel Mallol Simmonds Ejemplo de ejercicio PSU: MC ¿Cuál(es) de las siguientes hormonas difunde(n) rápidamente por la bicapa lipídica de la membrana celular? I) Estrógenos II) Insulina III) Oxitocina f) Solo I g) Solo II h) Solo III i) Solo I y II j) Solo II y III Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2010. La respuesta correcta en este caso es la alternativa a). Para responder esta pregunta debemos tener el conocimiento de la estructura de las tres hormonas mencionadas y de las características de la membrana plasmática. Los estrógenos son hormonas esteroidales, por lo tanto son apolares y pueden cruzar la bicapa lipídica, que también es apolar en su interior. La insulina es una hormona peptídica relativamente grande, por lo que no puede cruzar la membrana plasmática. Finalmente, la oxitocina, pese a ser un pequeño péptido, no puede cruzar la membrana plasmática, por su naturaleza proteica. Tip PSU Pese a que el Sistema Endocrino constituye uno de los más grandes desafíos a tu memoria, debes intentar utilizar formas didácticas para aprender las rutas de las hormonas, sus efectos y su naturaleza. En este capítulo incluimos algunos diagramas para facilitar el aprendizaje de este árido tema. Ejercicios capítulo XIV “Sistema endocrino” 1. Seleccione que alternativa(s) es(son) correcta(s) con respecto al concepto de hormona: I. Molécula orgánica, secretada en cantidades pequeñas en una parte de un organismo, que regula la función de otro tejido u órgano. II. Actúa de forma muy rápida III. Viaja por la sangre y se une a una célula blanco cualquiera a) Solo I b) Solo II c) Solo III d) Solo I y II e) Solo I y III 2. ¿Cuál glándula controla directa y positivamente la liberación de tiroxina (T4)? a) Hipotálamo b) Hipófisis anterior (Adenohipófisis) c) Hipófisis posterior (Neurohipófisis) 245 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds d) Pineal (Epífisis) e) Suprarrenal 3. ¿Cuál de las siguientes hormonas es secretada bajo el control directo del sistema nervioso? a) ACTH b) FSH c) Glucagón d) Epinefrina e) TSH 4. ¿Cuál de las siguientes hormonas tiene un efecto antagónico a la paratohormona? a) Triyodotironina (T3) b) Calcitonina c) Insulina d) Aldosterona e) Melatonina 5. ¿Qué hormona posee la siguiente función: Estimula la maduración del fruto, la senescencia de las hojas y flores y la abscisión? a) Estrógenos b) Gastrina c) Gibelerina d) Etileno e) Acido Abscísico 6. ¿Cuál hormona es liberada cuando los niveles plasmáticos de glucosa bajan? a) Glucagón b) TRS c) Prolactina d) Insulina e) Paratohormona 7. ¿Qué glándula tiene la propiedad de ser anficrina? a) Hipotálamo b) Adenohipófisis c) Medula Adrenal d) Paratiroides e) Páncreas P á g i n a | 246 Manuel Mallol Simmonds Complete la siguiente tabla Hormona Acción Principal Tiroxina y hormonas semejantes (T3) Acido Abscísico Cortisol y otros glucocorticoides Aldosterona Adenalina y otras catecolaminas Insulina Glucagón Auxina Paratohormona Progesterona y estrógenos Testosterona LH Inhibina 1 2 3 4 5 6 7 A B D B E A E 247 | P á g i n a Manuel Mallol Simmonds C p . X V – L a r e p ro d u cc ió n M an u el M al lo l S im m o n d s II M e d io El objetivo evolutivo de toda especie de cualquier reino corresponde a reproducirse y aumentar el número de integrantes que la componen, evitando su extinción. Para comprender dicho proceso, debemos comentar algunos conceptos básicos acerca de la sexualidad y asexualidad en la naturaleza. Manuel Mallol Simmonds Módulo común y electivo http://www.pretch.cl http://moodle.pretch.cl http://www.pretch.cl/ http://moodle.pretch.cl/ P á g i n a | 248 Manuel Mallol Simmonds Capítulo XV – La reproducción La sexualidad se define como el conjunto de características morfológicas, fisiológicas y conductuales que caracterizan cada sexo. Al contrario de la opinión popular, no tiene que ver en su totalidad con la dinámica de la relación sexual como tal. En los siguientes dos capítulos profundizaremos sobre este tópico. En esta primera parte, describiremos las propiedades esenciales para comprender el significado de la reproducción sexual, cómo se realiza en diferentes organismos y finalmente describiremos las características morfológicas humanas que son capaces de llevar a cabo este tipo de reproducción. Reproducción sexual y asexual en organismos simples El objetivo principal de la vida de cualquier especie es reproducirse. De esa manera los organismos
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- A
Objetivo, missão e aplicação.
B
Avaliação, Regulação e Utilização.
C
Resignação, sublimação, estagnação.
D
Pré avaliação, avaliação e
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