La fotosíntesis es un proceso mediante el cual los organismos con clorofila (las
plantas, algunos protistas y ciertas bacterias) obtienen glucosa y otros
nutrientes al capturar la energía solar y transformarla en energía
química. La clorofila es un compuesto orgánico que captura la luz solar,
provocando la ruptura de la molécula de agua (H2O) separando el
Hidrógeno (H) del Oxígeno (O). El oxígeno formado se libera a la
atmósfera.
Etapas de la fotosíntesis
La fotosíntesis se realiza en dos etapas: en la primera fase, la serie
de reacciones desencadenada depende de la luz (fase lumínica) y en la
segunda fase, la serie de reacciones que ocurre es independiente de la
luz (fase oscura).
Etapa lumínica
Es una etapa en la que se producen reacciones químicas con la
colaboración de la luz solar y la clorofila. La clorofila capta la luz
solar y ésta rompe la molécula de agua (H2O), separando el hidrógeno (H)
del oxígeno (O).
El oxígeno se libera a la atmósfera y la energía no utilizada es almacenada en moléculas especiales llamadas ATP.
Etapa oscura
Es una etapa que no necesita la presencia de la luz. El hidrógeno
resultante de la fase anterior se suma al dióxido de carbono (CO2)
generando la producción de compuestos orgánicos, principalmente
carbohidratos (glucosa). Este proceso se desencadena gracias a la
energía almacenada en moléculas de ATP, durante la etapa anterior. Luego
de la formación de glucosa, mediante otras reacciones químicas se forma
almidón y varios carbohidratos más.
¿Qué hace la planta con las sustancias elaboradas?
Las sustancias fabricadas por las hojas durante la fotosíntesis (savia
elaborada) son conducidas por el tallo hacia todas las células de la
planta. Una parte de estos nutrientes es utilizada por el vegetal para
crecer. Otra parte es almacenada como almidón en el tallo o en la raíz,
reserva que la planta utilizará durante el invierno. Importante: El almidón producido durante la fotosíntesis se mezcla
con el agua de las hojas y es transportado por el tallo de la planta
hasta la raíz, donde se almacena
La vida en el Planeta depende de la fotosíntesis
Mediante la fotosíntesis, los vegetales elaboran sus nutrientes,
transformando la materia inorgánica (agua, sales minerales y dióxido de
carbono) en materia orgánica (carbohidratos) que luego será consumida
por los organismos herbívoros. A su vez, éstos serán el alimento de los
carnívoros, por lo cual la materia orgánica producida por las plantas
pasará de unos seres vivos a otros mediante las cadenas alimenticias.
Pero además, durante la fotosíntesis, las plantas liberan a la atmósfera
el oxígeno que todos los seres vivos necesitan para respirar.
Fotosíntesis y respiración
Cuando realizan la fotosíntesis, las plantas absorben dióxido de carbono
del medio y producen oxígeno que liberan a la atmósfera.
Al respirar, absorben oxígeno de la atmósfera y desprenden dióxido de carbono a la atmósfera. Importante: Durante el día las plantas respiran y realizan la fotosíntesis. Durante la noche, respiran.
Flujo de energía y nutrientes en un ecosistema es el nombre
que recibe la totalidad de la cadena trófica, así como el flujo de
cualquier fuente aprovechable de energía. El flujo de energía es el
aprovechamiento de los productos primarios y secundarios por organismos que a su vez utilizaron consumidores primarios herbívoros de los cuales se alimentan los consumidores secundarios o carnívoros.
La energía
es básica para el funcionamiento de cualquier ecosistema. Gracias a las
diferentes interacciones que se dan entre diferentes organismos, la
energía fluye de especie a especie.Sin embargo, a medida de que esta va
entrando al ecosistema, su cantidad disminuye. La cantidad de nutrientes y energía en la Tierra
es muy pequeña, y por eso tiene diferentes ciclos. El ciclo empieza en
los productores, los cuales captan la luz solar, y la utilizan en un
ciento por ciento. Luego, al ser consumidos por un consumidor del primer
orden, el diez por ciento aproximadamente de esa energía pasa a ese ser
vivo. Si seguimos con la cadena trófica, nos encontramos con los
consumidores de segundo orden que, al alimentarse de los del primer
orden, toman también un diez por ciento de su energía, lo que sería un
uno por ciento de la original. El siguiente eslabón son los consumidores
de tercer orden, que obtienen un 0,1% de la energía primeramente
obtenida por el productor. Así, los descomponedores nada más pueden
sacar el 0,01% de la energía, lo que significa que esta se pierde a
medida que se avanza en la cadena alimentaria, o sea, se libera al ambiente en otras formas de energía, tales como la térmica.
Flujo de energía
La energía primaria proviene del sol.
Niveles tróficos
Los niveles tróficos son el tipo de clasificación según el tipo de alimentación que tiene cada especie. Son:
Constituyen el primer nivel trófico. Toman la energía del sol y la transforman en moléculas orgánicas ricas en carbohidratos, lípidos y azúcares. Los principales productores en los diferentes ecosistemas son:
Consumidores Primarios (herbívoros).- Se alimentan de los organismos productores.
Consumidores Secundarios(carnívoros).- Se alimentan de herbívoros.
Consumidores Terciarios.- Se alimentan de los consumidores secundarios.
Descomponedores.- Son principalmente bacterias y hongos. Se
alimentan de los seres muertos, y de sus desechos; así forman una
conexión entre lo orgánico y lo inorgánico.
Graficación
El
flujo de energía, se puede graficar mediante pirámides alimenticias,
cadenas alimenticias,redes alimenticias y en las sedes alimentarias
Las pirámides alimenticias, reflejan el número de individuos,
presentes en cada nivel(menos los descomponedores), trófico. Mientras
más alto se llega en la pirámide (mayor nivel), menos integrantes se
tienen, y menos energía.
Pirámide alimenticia
Las cadenas alimenticias, reflejan la transferencia de energía,
desde productores, hasta descomponedores, pasando por todos los niveles
tróficos.
Las Redes alimenticias, son uniones de cadenas alimenticias. Esta muestra la relación entre diferentes cadenas alimenticias.
Las sedes alimentarias, reflejan el numero de veces en que animales
de lo mas alto de la piramide, es decir, de los consumidores terciarios
son alimentados por los herbívoros
Flujo de Nutrientes
Como
ya se explicó, la energía aquí en la tierra, y los nutrientes, se
encuentran en cantidades limitadas. Por eso, deben ser reciclados y
reutilizados .
n un sentido amplio, metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un organismo. Mediante esas reacciones se transforman las moléculas nutritivas que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a ellas.
Alimentos, aportan los nutrientes.
El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:
·Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.
·Fabricarsus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear sus estructuras o para almacenarlos como reserva.
Al producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una continua reacción química.
Estas reacciones químicas metabólicas (repetimos, ambas reacciones suceden en las células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo.
Molécula de ATP: Su fórmula es C10H16N5O13P3.
El catabolismo (fase destructiva)
Su función es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple.
Catabolismo es, entonces, el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO2, H2O, ácido láctico, amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato). Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas) .
Las reacciones catabólicas se caracterizan por:
Son reacciones degradativas, mediante ellas compuestos complejos se transforman en otros más sencillos.
Son reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos más o menos reducidos, liberándose electrones que son captados por coenzimas oxidadas que se reducen.
Son reacciones exergónicas en las que se libera energía que se almacena en forma de ATP.
Son procesos convergentes mediante los cuales a partir de compuestos muy diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO2, ácido pirúvico, etanol, etcétera).
Al microscopio, imagen del metabolismo celular.
El anabolismo (fase constructiva)
Reacción química para que se forme una sustancia más compleja a partir otras más simples.
Anabolismo, entonces es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más complejas. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.
Las moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.
Las reacciones anabólicas se caracterizan por:
Son reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos.
Son reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas reducidas (NADH, FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.
Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP.
Son procesos divergentes debido a que, a partir de unos pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.
En las células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas (tanto catabólicas como anabólicas), estás no son independientes sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguiente una ruta o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente (como la glucólisis o glicólisis).
Mediante las distintas reacciones que se producen en una ruta un sustrato inicial se transforma en un producto final, y los compuestos intermedios de la ruta se denominanmetabolitos. Todas estas reacciones están catalizadas porenzimas específicas.
Tipos de rutas metabólicas.
Las rutas metabólicas pueden ser:
Lineales. Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última reacción.
Cíclicas. Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.
Frecuentemente los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de reacciones de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes metabólicas complejas.
Cuadro sinóptico
Catabolismo
Anabolismo
Degrada biomoléculas
Fabrica biomoléculas
Produce energía (la almacena como ATP)
Consume energía (usa las ATP)
Implica procesos de oxidación
Implica procesos de reducción
Sus rutas son convergentes
Sus rutas son divergentes
Ejemplos: glucólisis, ciclo de Krebs, fermentaciones, cadena respiratoria
Todas son irreversibles y globalmente exergónicas.
Las rutas en los dos sentidos nunca pueden ser iguales porque si lo fuesen uno de los dos nunca se podría realizar. Los pasos distintos permiten asegurar los procesos en los dos sentidos. Hay muchos pasos comunes pero no todos.
Las rutas metabólicas están localizadas en unos compartimentos específicos lo que permite regularlas eficazmente.
En todas las rutas hay una reacción inicial que es irreversible y que desprende mucha energía, necesaria para llegar al final de la misma.
Todas las rutas están reguladas. Cada reacción tendrá su enzima.
Tipos metabólicos de seres vivos
No todos los seres vivos utilizan la misma fuente de carbono y de energía para obtener sus biomoléculas.
Teniendo en cuenta la fuente de carbono que utilicen existen dos tipos de seres vivos:
Autótrofos, utilizan como fuente de carbono el CO2. (vegetales verdes y muchas bacterias).
Heterótrofos, utilizan como fuente de carbono los compuestos orgánicos. (animales hongos y muchas bacterias).·
Organismo fotosintético o fotoautótrofo.
Ahora, teniendo en cuenta la fuente de energía que utilicen se diferencian dos grupos:
Fotosintéticos, utilizan como fuente de energía la luz solar.
Quimiosintéticos, utilizan como fuente de energía, la que se libera en reacciones químicas oxidativas (exergónicas).
La primera Ley de la termodinámica o Ley de la conservación de la energía, enuncia que la energía es indestructible, ya que no se pierde, sino que se transforma.
La segunda Ley de la termodinámica indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. En esta Ley aparece el concepto de entropía.
La tercera Ley de la termodinámica afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos, ya que a medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo.
Tiburón
La termodinámica estudia y clasifica las interacciones entre diversos sistemas, lo que determina la existencia de sistemas termodinámicos. Un sistema termodinámico tiene múltiples maneras de intercambiar energía con el medio. Una de ellas puede ser mediante una transferencia neta de calor, en el que se tienen en cuenta las deformaciones del entorno donde se encuentra confinado el sistema. El equilibrio termodinámico se logra mediante el equilibrio físico, químico y térmico.
¿Se cumplen las leyes de la termodinámica en los seres vivos?
Los seres vivos presentan un constante flujo de energía porque son sistemas termodinámicos abiertos, ya que continuamente están intercambiando materia, energía e información con su medio ambiente, con el que mantienen un equilibrio dinámico.
Actualmente es común escuchar el término bioenergética, aplicándolo a los seres vivos como sistemas termodinámicos.
Tortuga
Saber más:
Todos los seres vivos realizan tres funciones básicas: relación, nutrición y reproducción y como resultado del proceso evolutivo, todos los organismos, independientemente de la complejidad que poseen, presentan determinadas características comunes que implican transformaciones continuas e intercambio de energía, relacionadas con el funcionamiento del individuo como sistema termodinámico.
Los organismos incorporan energía procedente del medio ambiente. Losorganismos fotosíntetizadores sintetizan compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas con la participación de energía luminosa. Losheterótrofos, toman los alimentos previamente elaborados por losautótrofos, a partir de los cuales obtienen la energía.
Hormiga
Los nutrientes incorporados al organismo mediante la nutrición, pasan a la célula y participan como materia prima en los procesos del metabolismo celular. En aquellos procesos catabólicos en los que ocurre degradación oxidativa de sustancias, como la respiración aerobia, se libera energía metabólica, parte de la cual se transforma en calor, se eliminan sustancias de desecho y aumenta la entropía.
La mitosis comprende cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase.
1.- Profase, en esta primera etapa, el material cromosómico llamado cromatina se condensa y aparece gradualmente como barras cortas y los cromosomas pueden comenzar a observarse con el microscopio. Cada cromosoma consta de dos hebras llamadas cromátidas, las cuales se mantienen unidas por una parte llamada centrómero, poseen además, una zona externa llamada cinetocoro.
A medida que los cromosomas se hacen más visibles ocurren dos eventos dentro de la célula, la membrana del núcleo y una porción contenida en él llamada nucléolo se desintegran y aparece una nueva estructura tridimensional en forma de balón de futbol americano denominada huso mitótico. Consiste de microtúbulos que se extienden por la célula. Las fibras del huso mitótico guían a los cromosomas en sus movimientos durante la mitosis.
2.- Metafase, es la segunda etapa de la mitosis durante la cual los pares de cromátidas se mueven hacia el centro o ecuador de la célula. Las cromátidas se disponen en una fila formando ángulos rectos con las fibras del huso mitótico. El centrómero de cada par de cromátidas se pega a una fibra del huso mitótico.
3.- Anafase, es la tercera etapa de la mitosis; al comienzo, el centrómero de cada par se divide y los comosomas separados son jalados hacia los polos o extremos del huso mitótico por las fibras del huso que se han pegado al cinetocoro.
4.- Telofase es la última etapa de la mitosis, los cromosomas toman la forma de hilos, se alargan y quedan como estaban al comienzo de la profase. El huso mitótico se rompe, reaparece el nucléolo y se forma una membrana nuclear alrededor de los cromosomas, los cuales pasan a un estado no condensado o cromatina.
Definición.- El ciclo celular es un conjunto ordenado de sucesos que conducen al crecimiento de la célula y la división en dos células hijas. Las etapas, son G1-S-G2 y M. El estado G1 quiere decir «GAP 1» (Intervalo 1). El estado S representa la «síntesis», en el que ocurre la replicación del ADN. El estado G2 representa «GAP 2» (Intervalo 2). El estado M representa «la fase M», y agrupa a la mitosis o meiosis (reparto de material genético nuclear) y la citocinesis (división del citoplasma). Las células que se encuentran en el ciclo celular se denominan «proliferantes» y las que se encuentran en fase G0 se llaman células «quiescentes».1 Todas las células se originan únicamente de otra existente con anterioridad.2 El ciclo celular se inicia en el instante en que aparece una nueva célula, descendiente de otra que se divide, y termina en el momento en que dicha célula, por división subsiguiente, origina dos nuevas células hijas.
La célula puede encontrarse en dos estados muy diferenciados:3
El estado de no división o interfase. La célula realiza sus funciones específicas y, si está destinada a avanzar a la división celular, comienza por realizar la duplicación de su ADN.
El estado de división, llamado fase M.
Interfase
Es el período comprendido entre mitosis. Es la fase más larga del ciclo celular, ocupando casi el 90% del ciclo, trascurre entre dos mitosis y comprende tres etapas:4
Fase G1 (del inglés Growth o Gap 1): Es la primera fase del ciclo celular, en la que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. Tiene una duración de entre 6 y 12 horas, y durante este tiempo la célula duplica su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes, como resultado de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo particular. En cuanto a carga genética, en humanos (diploides) son 2n 2c.
Fase S (del inglés Synthesis): Es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN, como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio. Tiene una duración de unas 10-12 horas y ocupa alrededor de la mitad del tiempo que dura el ciclo celular en una célula de mamífero típica.
Fase G2 (del inglés Growth o Gap 2): Es la tercera fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de proteínas y ARN. Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Tiene una duración entre 3 y 4 horas. Termina cuando la cromatina empieza a condensarse al inicio de la mitosis. La carga genética de humanos es 2n 4c, ya que se han duplicado el material genético, teniendo ahora dos cromátidas cada uno.
Fase M (mitosis y citocinesis)
Es la división celular en la que una célula progenitora (células eucariotas, células somáticas -células comunes del cuerpo-) se divide en dos células hijas idénticas. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que se inicia ya en la telofase mitótica. Si el ciclo completo durara 24 horas, la fase M duraría alrededor de 30 minutos.1
La noción dereproducción celularhace mención al procedimiento que permitegenerar nuevas células a partir de una célula madre. Se trata de un proceso de división de lascélulas, que posibilita el crecimiento de los organismos.
En el caso de las células eucariotas, la reproducción celular suele desarrollarse a través de la mitosis. Este proceso implica que, cuando una célula alcanza un cierto grado de desarrollo, se divide en dos células hijas que son iguales y que replican la totalidad del ADN de la célula madre.
Otro tipo de reproducción celular es la meiosis. En este caso, una célula diploide desarrolla dos divisiones de manera sucesiva y, de este modo, genera cuatro células haploides. La meiosis, por lo tanto, implica dos divisiones citoplasmáticas y nucleares (la meiosis I y la meiosis II) que deriva en la producción de las células haploides.
La reproducción de las células procariotas, por otra parte, puede desarrollarse de distintos modos, que se exponen a continuación.
Esporulación
También se conoce como esporogénesis o esputación, y se trata de un proceso de diferenciación celular (la expresión génica de las células se ve alterada para adoptar las funciones y la morfología de un tipo celular determinado y distinto al del resto de los presentes en el organismo). Su objetivo es producir esporas, células reproductivas dispersivas de resistencia, y se aprecia en ciertas clases de bacterias, esporozoos (un ejemplo es el Plasmodium, que causa la malaria) y protozoos, así como en líquenes, hongos y amebas.
Dichos grupos han tenido una evolución muy diferente desde sus respectivos orígenes, pero comparten estrategias de reproducción celular muy similares. A lo largo del proceso de esporulación, el núcleo se divide en diversos fragmentos, cada uno de los cuales es rodeado por una porción del citoplasma, lo que da lugar a las esporas. El número de esporas producidas depende de la especie en cuestión, pero cada una de ellas dará lugar a un nuevo individuo, independiente del progenitor.
Gemación
El nombre de este proceso hace alusión al uso de yemas, y se encuentra a menudo en briozoos, esponjas y celentereos. Todo comienza cuando en una o varias partes del organismo se genera una yema o envaginación que se desarrolla hasta que su base se constriñe y se separa del progenitor, para comenzar a vivir como un ser independiente. Las nuevas yemas pueden tener, a su vez, otras a las que se conoce como secundarias.
Cabe mencionar que en algunos casos las yemas no se independizan del progenitor, y entonces forman colonias. La forma en la que se agrupan las yemas, así como las diferencias que presentan con respecto a las demás dentro de la colonia suele variar de una especie a otra.
Bipartición
Esta forma de reproducción celular también se denomina fisión binaria y se aprecia en algas unicelulares, levaduras de fisión, bacterias, protozoos y arqueobacterias. En pocas palabras, consiste en que se divida el ADN y luego, el citoplasma (proceso que se conoce como citocinesis), lo cual deriva en la creación de dos células descendientes.
La tasa de crecimiento de la mayoría de las bacterias es muy alta debido a que su reproducción es de este tipo; en condiciones muy favorables, una bacteria como la Escherichia coli (suele encontrarse en el intestino de los animales) puede reproducirse cada 20 minutos. Esto explica que muchas de ellas se vuelvan tan resistentes a los antibióticos y proliferen en diversos entornos
