La Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso que sustenta la vida en el planeta, en el cual las células de los organismos fotosintéticos, como las plantas, algas y algunas bacterias, aprovechan la energía solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en materia vegetal, produciendo oxígeno como subproducto. Este proceso se lleva a cabo en los cloroplastos, orgánulos especializados presentes en las células vegetales.

Organelos Celulares y sus Funciones

Aquí tienes la función de cada uno de los organelos:

1. Núcleolo: Es una estructura dentro del núcleo celular que se encarga de la producción y ensamblaje de los ribosomas, esenciales para la síntesis de proteínas.
2. Núcleo: Contiene el material genético (ADN) de la célula y controla las actividades celulares, como el crecimiento, la reproducción y la síntesis de proteínas.
3. Amiloplastos: Son organelos en las células vegetales que almacenan almidón y lo convierten en energía cuando es necesario.
4. Mitocondrias: Conocidas como las “centrales energéticas” de la célula, las mitocondrias generan ATP (adenosina trifosfato) a través del proceso de respiración celular, proporcionando energía a la célula.
5. Peroxisomas: Son responsables de la descomposición de ácidos grasos y la detoxificación de peróxidos, como el peróxido de hidrógeno, para proteger a la célula de daños.
6. Cloroplastos: Presentes en células vegetales, llevan a cabo la fotosíntesis, convirtiendo la luz solar en energía química almacenada en forma de glucosa.
7. Retículo endoplasmático (RE):
   • RE rugoso: Tiene ribosomas adheridos y está implicado en la síntesis de proteínas.
   • RE liso: No tiene ribosomas y se encarga de la síntesis de lípidos, metabolismo de carbohidratos y detoxificación de sustancias.
8. Aparato de Golgi: Modifica, clasifica y empaqueta proteínas y lípidos que serán transportados a su destino dentro o fuera de la célula.
9. Ribosomas: Son los responsables de la síntesis de proteínas, traduciendo el ARN mensajero (ARNm) en secuencias de aminoácidos.
10. Membrana celular: También conocida como membrana plasmática, regula el paso de sustancias hacia dentro y fuera de la célula, manteniendo el equilibrio interno (homeostasis).
11. Citoplasma: Es el medio gelatinoso dentro de la célula donde se encuentran los organelos, y es el sitio donde ocurren muchas reacciones químicas esenciales para la vida celular.

La Célula y los Seres Vivos

La teoría celular es un principio fundamental en biología que establece que todos los organismos están compuestos por células y que la célula es la unidad básica de la vida. Esta teoría fue formulada en el siglo XIX por los científicos Matthias Schleiden, Theodor Schwann y Rudolf Virchow.

De acuerdo con la teoría celular, todos los seres vivos están formados por una o más células que son las unidades estructurales y funcionales más pequeñas capaces de realizar las funciones vitales necesarias para la vida.

Una de las características principales de las células es la presencia de una membrana plasmática, una barrera simple que rodea la célula y regula el paso de sustancias hacia adentro y hacia afuera de la célula. Además, las células contienen material genético en forma de ADN.

Las células también contienen orgánulos especializados que realizan funciones específicas dentro de ella. Por ejemplo, el núcleo es el centro genético y controla las actividades celulares, mientras que las mitocondrias son los orgánulos encargados de producir energía en forma de ATP a través de la respiración celular.

Células Procariotas y Células Eucariotas

Células Procariotas

Las células procariotas son las más simples y primitivas. Se encuentran en organismos unicelulares, llamados bacterias y arqueas. Carecen de un núcleo definido y de orgánulos membranosos. En su lugar, el material genético, que consiste en una sola molécula de ADN circular, se encuentra disperso en el citoplasma. Tampoco tienen mitocondrias ni cloroplastos. La membrana plasmática rodea el citoplasma y mantiene la integridad de la célula. Además, pueden tener flagelos para la locomoción y Pili para la adhesión a superficies.

Células Eucariotas

Las células eucariotas son más complejas y evolucionadas. Se encuentran en organismos unicelulares y multicelulares como plantas, animales, hongos y protistas. La característica distintiva de las células eucariotas es la presencia de un núcleo definido que contiene el material genético, rodeado por una membrana nuclear. Además, estas células tienen orgánulos membranosos como mitocondrias, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, cloroplastos (en células vegetales) y otros. Esos orgánulos realizan diversas funciones como la producción de energía, la síntesis de proteínas y la digestión celular. La membrana plasmática regula el paso de sustancias hacia adentro y hacia afuera de la célula.

Fases de la Fotosíntesis

Fase Luminosa

En la fase luminosa, la energía solar es capturada por pigmentos fotosintéticos, principalmente la clorofila, ubicados en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. Cuando la luz incide sobre estos pigmentos, se excitan los electrones, generando una corriente de electrones que fluye a través de una cadena de transporte de electrones. Esta cadena de transporte de electrones genera un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidea, lo que genera energía química en forma de ATP (adenosín difosfato).

Fase Oscura

En la fase oscura, también conocida como ciclo de Calvin, se utiliza la energía química almacenada en forma de ATP y los electrones de la cadena de transporte para fijar el dióxido de carbono atmosférico en compuestos orgánicos, como la glucosa. Este proceso se lleva a cabo en el estroma de los cloroplastos y requiere la enzima RuBisCo para catalizar la fijación de carbono.

Durante la fotosíntesis, las células de los organismos fotosintéticos aprovechan la energía solar para generar energía química en forma de ATP y NADPH, utilizando estos compuestos para fijar el dióxido de carbono atmosférico en compuestos orgánicos, como la glucosa, que se utiliza para la formación de estructuras vegetales.

Partes de las Células Procariotas y Eucariotas

Célula Procariota

1. Membrana plasmática:
   • Es una bicapa de fosfolípidos que rodea la célula y regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior. Cumple funciones similares a las de las membranas en las células eucariotas, como mantener el equilibrio de iones y moléculas y proteger la célula de su entorno.
2. Citoplasma:
   • Es una sustancia gelatinosa dentro de la célula que contiene agua, enzimas, sales y moléculas orgánicas. En él se encuentran los ribosomas y el ADN. No hay compartimentos membranosos como en las células eucariotas.
3. Ribosomas:
   • Son las estructuras responsables de la síntesis de proteínas. Aunque en las células procariotas los ribosomas son más pequeños que los de las eucariotas (70S frente a 80S), su función básica es la misma: traducir el ARN mensajero para producir proteínas.
4. Material genético (ADN):
   • En las procariotas, el ADN es una molécula circular que se encuentra en una región llamada nucleoide, la cual no está rodeada por una membrana nuclear. Este ADN controla todas las funciones celulares y es responsable de la herencia genética.
5. Pared celular:
   • Rodea la membrana plasmática y da forma y soporte estructural a la célula. En bacterias, está compuesta principalmente por peptidoglicano (mureína), una estructura formada por azúcares y aminoácidos que le da rigidez.
6. Flagelo:
   • Es una estructura en forma de látigo que permite a la célula moverse. Los flagelos de las células procariotas son más simples que los de las eucariotas y están compuestos de una proteína llamada flagelina. Se impulsan mediante un mecanismo rotatorio que se alimenta de gradientes de iones.
7. Plásmidos:
   • Son pequeñas moléculas de ADN circular que existen de forma independiente del cromosoma principal. Los plásmidos pueden portar genes adicionales, como aquellos que confieren resistencia a antibióticos, y se pueden transferir entre bacterias mediante el proceso de conjugación.

Célula Eucariota

1. Núcleo:
   • Es el organelo más prominente de las células eucariotas y contiene el material genético (ADN) organizado en cromosomas. Es el centro de control de la célula, donde se regulan las funciones celulares y la replicación del ADN.
2. Membrana plasmática:
   • Al igual que en las células procariotas, es una bicapa de fosfolípidos que rodea la célula y controla el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior. Además, juega un papel importante en la comunicación celular y en la señalización.
3. Membrana nuclear:
   • También llamada envoltura nuclear, es una doble membrana que rodea al núcleo. Tiene poros nucleares que permiten el intercambio de materiales (como ARN y proteínas) entre el núcleo y el citoplasma.
4. Citoplasma:
   • Es la sustancia gelatinosa que se encuentra dentro de la membrana plasmática, entre la membrana nuclear y los demás organelos. Contiene agua, sales, y moléculas orgánicas, y es el medio donde ocurren la mayoría de las reacciones metabólicas.
5. Retículo endoplasmático (RE):
   • Se divide en dos tipos:
     • RE rugoso: Está cubierto de ribosomas y es donde se sintetizan y modifican las proteínas.
     • RE liso: No tiene ribosomas y participa en la síntesis de lípidos, la detoxificación de sustancias y el almacenamiento de calcio.
6. Aparato de Golgi:
   • Es una serie de sacos membranosos aplanados que modifican, empaquetan y distribuyen proteínas y lípidos sintetizados en el retículo endoplasmático. Se encarga de dirigir estos productos hacia su destino final, ya sea dentro de la célula o fuera de ella.
7. Mitocondrias:
   • Son las “centrales energéticas” de la célula, donde se lleva a cabo la respiración celular y se produce ATP, la principal molécula de energía. Tienen su propio ADN y se cree que evolucionaron de bacterias que fueron capturadas por una célula ancestral.
8. Lisosomas:
   • Son vesículas que contienen enzimas digestivas. Se encargan de la degradación de moléculas grandes, desechos celulares y organismos invasores como bacterias, ayudando en la limpieza y el reciclaje de componentes celulares.
9. Cloroplastos (solo en células vegetales y algunas algas):
   • Son organelos responsables de la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en energía química (glucosa). Contienen clorofila, el pigmento verde que capta la luz solar.
10. Vacuola:
    • Es una gran vesícula que almacena agua, nutrientes y desechos. En las células vegetales, la vacuola central ayuda a mantener la presión de turgencia, lo que le da rigidez a la planta. En células animales, hay vacuolas más pequeñas con funciones especializadas.
11. Citoesqueleto:
    • Es una red de filamentos y túbulos que proporciona soporte estructural a la célula, mantiene su forma y facilita el movimiento celular y el transporte de materiales dentro de la célula. Se compone de microfilamentos (actina), filamentos intermedios y microtúbulos.

Similitudes entre Células Procariotas y Eucariotas

• Ambas tienen una membrana que rodea y protege el contenido celular.
• Ambas contienen ADN.
• Ambas contienen ribosomas para la síntesis de proteínas.
• Ambas realizan procesos metabólicos.

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Uso del Microscopio Óptico: Partes

1. Oculares: Son las lentes situadas en la parte superior del microscopio por donde el observador mira. Su función es aumentar la imagen formada por los objetivos.
2. Objetivos: Son las lentes más cercanas al objeto a observar. Están montados en el revólver y su función es formar la primera imagen del objeto con diferentes aumentos (generalmente 4x, 10x, 40x, 100x).
3. Revólver: Es un soporte giratorio donde están montados los objetivos. Permite cambiar entre diferentes objetivos para variar los aumentos.
4. Tubo: Conecta los oculares con los objetivos y alinea las ópticas. Mantiene la distancia adecuada entre los oculares y los objetivos.
5. Platina: Es la superficie donde se coloca la muestra. Normalmente tiene clips para sujetar el portaobjetos y puede moverse en dirección horizontal o vertical para posicionar la muestra correctamente.
6. Condensador: Está situado debajo de la platina. Su función es concentrar la luz en la muestra, mejorando el contraste y la calidad de la imagen.
7. Fuente de Luz: Proporciona la iluminación necesaria para observar la muestra. Puede ser una lámpara o un espejo que refleja luz externa.
8. Lente Colectora: Está situada entre la fuente de luz y el condensador. Su función es concentrar y dirigir el haz de luz hacia el condensador.
9. Base: Es la parte inferior que sostiene todo el microscopio. Proporciona estabilidad y soporte.
10. Columna (o Brazo): Es la estructura vertical que conecta la base con la parte superior del microscopio, sirviendo como soporte del tubo, la platina y otras partes ajustables.

Etapas de la Respiración Celular

La respiración celular es el proceso mediante el cual las células obtienen energía de los nutrientes para realizar sus funciones vitales. Se divide en etapas principales: la glucólisis, el ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.

Glucólisis

La glucólisis es el primer paso de la respiración celular y ocurre en el citoplasma de la célula. En este proceso, una molécula de glucosa de seis carbonos se descompone en dos moléculas de piruvato de tres carbonos. Durante la glucólisis se producen dos moléculas de ATP y se liberan electrones y protones que se transportan a través de transportadores de alta energía como el NADH.

• NAD+: forma oxidativa
• NADH: forma reductiva

NADH

El dinucleótido de nicotinamida y adenina, también conocido como nicotin adenin dinucleótido o nicotinamida adenina dinucleótido (abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida), es una coenzima que se halla en las células vivas cuya función principal es el intercambio de electrones y protones en la producción de energía de todas las células.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz de la mitocondria y completa la oxidación de los grupos acetilo que se originaron a partir de la glucosa durante la glucólisis. En este ciclo, los grupos acetilo se unen a una molécula de coenzima A para formar acetil-CoA, que luego entra en una serie de reacciones que liberan dióxido de carbono y producen ATP, NADH y FADH2 (otro transportador de electrones). Estos transportadores de alta energía llevan electrones a la cadena de transporte de electrones para la siguiente etapa de la respiración celular.

Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria y es la etapa final y más importante de la respiración celular en términos de producción de ATP. Durante este proceso, los electrones transportados por el NADH y el FADH2 se mueven a través de una serie de proteínas de la cadena de transporte de electrones, liberando energía en el proceso. Esta energía se utiliza para bombear protones a través de la membrana interna, creando un gradiente electroquímico. Luego, los protones fluyen de regreso a través de la ATP sintasa, una enzima que produce ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Se estima que la fosforilación oxidativa genera alrededor de 26 a 28 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada completamente.

La respiración celular es un proceso complejo que consta de varias etapas, cada una de las cuales contribuye a la liberación de energía almacenada en los nutrientes. Desde la glucólisis hasta la fosforilación oxidativa, estas etapas coordinadas aseguran que las células obtengan la energía necesaria para realizar sus funciones vitales de manera eficiente.

El Papel de los Alimentos en el Proceso Energético

Las moléculas alimenticias juegan un papel central y vital en el proceso energético de los seres vivos al ser la fuente primaria de materia prima para la respiración celular. Estas moléculas, como la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos, son utilizadas por las células para obtener energía a través de la respiración celular, un proceso determinante que convierte los nutrientes en ATP.

La glucosa es la principal molécula alimenticia utilizada en la respiración celular. Durante la glucólisis, la glucosa se descompone en dos moléculas de piruvato, liberando pequeñas cantidades de energía en forma de ATP y transportadores de electrones como el NADH. Posteriormente, el piruvato entra en el ciclo de Krebs, donde se completa la oxidación de los grupos acetilo, produciendo más ATP, NADH y FADH2.

Los ácidos grasos, provenientes de las grasas dietéticas, también son importantes moléculas alimenticias en el proceso energético. Se descomponen en ácidos grasos y glicerol, los cuales ingresan en la vía metabólica de la beta oxidación. Durante este proceso, los ácidos grasos se descomponen en unidades de dos carbonos que entran en el ciclo de Krebs, generando ATP y transportadores de electrones.

Los aminoácidos, provenientes de las proteínas de la dieta, también pueden ser utilizados en la respiración celular. Se descomponen en unidades de carbono y nitrógeno que pueden ingresar en diversas rutas metabólicas para producir energía. Por ejemplo, algunos aminoácidos pueden convertirse en piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs, alimentando así la producción de ATP.

La Fusión de CO2 y H2O en el Proceso Fotosintético

La síntesis de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en las plantas es un proceso mediante el cual estos organismos verdes aprovechan la energía solar para producir glucosa y liberar oxígeno. Este proceso ocurre en los cloroplastos, los orgánulos especializados presentes en las células vegetales. Como se mencionó en el primer tema, la fotosíntesis se realiza en dos fases o procesos: una luminosa y otra oscura.

A nivel macroscópico, las plantas absorben dióxido de carbono del aire a través de pequeños orificios en las hojas llamados estomas. El agua es absorbida por las raíces de la planta del suelo y transportada a través de los vasos conductores del xilema hasta las hojas. Una vez en las hojas, el agua se libera hacia los cloroplastos, donde se utilizará en el proceso de fotosíntesis. Para comprender mejor este proceso se deben analizar las etapas que realizan los organismos fotosintéticos denominadas absorción, circulación, fotosíntesis, alimentación y crecimiento, las cuales se describen a continuación:

La Energía Solar en las Reacciones Fotosintéticas

La energía solar es la fuerza vital que impulsa las reacciones fotosintéticas en las células vegetales y les da la capacidad de sintetizar nutrientes y producir oxígeno. Este fenómeno es esencial para el mantenimiento de la vida, sustenta la cadena alimentaria de los ecosistemas terrestres y acuáticos.

En el proceso de fotosíntesis, la luz solar es capturada por pigmentos fotosintéticos, como la clorofila, presentes en los cloroplastos de las células vegetales. Estos pigmentos son capaces de absorber la energía lumínica y utilizarla para excitar los electrones en sus estructuras moleculares.

La energía solar capturada se convierte entonces en energía química, desencadenando una serie de reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro de la maquinaria celular. En la fase luminosa de la fotosíntesis, esta energía se utiliza para dividir moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones. El oxígeno es liberado como subproducto, mientras que los protones y los electrones se utilizan para generar adenosín trifosfato (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducida (NADPH), dos moléculas de alta energía que alimentan las reacciones químicas posteriores. Las reacciones que se presentan en esta fase son:

Fotólisis del Agua

2H2O → 4H+ + 4e- + O2

En esta reacción, la energía solar se utiliza para dividir moléculas de agua (H2O) en protones (H+), electrones (e-) y oxígeno (O2). El oxígeno liberado es un subproducto y se libera al medio ambiente.

Formación de ATP

ADP + Pi + energía lumínica → ATP

La energía solar también se utiliza para fosforilar el adenosín difosfato (ADP) para formar adenosín trifosfato (ATP). Este proceso se lleva a cabo a través de la fosforilación fotofosforilativa en la cadena de transporte de electrones.

Reducción de NADP+

NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH

Los electrones liberados durante la fotólisis del agua se utilizan para reducir nicotinamida adenina dinucleótido fosfato oxidado (NADP+) a nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido (NADPH). Esta molécula actúa como transportador de electrones de alta energía en la fotosíntesis.

En la fase oscura, o ciclo de Calvin, el ATP y el NADPH generados durante la fase luminosa se utilizan para fijar el dióxido de carbono atmosférico y convertirlo en glucosa y otros compuestos orgánicos. Estas moléculas orgánicas son esenciales para el crecimiento, desarrollo y reproducción de las plantas, así como para la alimentación de otros organismos en la cadena alimentaria. Las reacciones químicas presentes en esta fase son:

Fijación del CO2

En esta etapa, el dióxido de carbono (CO2) se fija a una molécula de cinco carbonos llamada ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP) con la ayuda de la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO), formando dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (PGA).

CO2 + RuBP → 2 PGA

Reducción del PGA

Luego, las moléculas de PGA se reducen utilizando la energía química almacenada en forma de ATP y NADPH, producida durante la fase luminosa, y se convierten en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), que es un precursor de la glucosa y otros carbohidratos.

2 PGA + 2 ATP + 2 NADPH → 2 G3P

Regeneración de RuBP

Una parte del G3P producido se utiliza para regenerar RuBP, el cual es necesario para continuar el ciclo de Calvin. Esta regeneración se lleva a cabo a través de una serie de reacciones que consumen ATP.

5 G3P → 3 RuBP

La energía solar impulsa las reacciones fotosintéticas en las células vegetales, proporcionando la energía necesaria para sintetizar nutrientes y producir oxígeno. Este proceso es esencial para la vida en la Tierra y nos recuerda la interconexión entre los seres vivos y el entorno que habitamos.