Estructura y Función Celular

Gran Idea 4 — Interacciones de Sistemas (SYI): Los sistemas biológicos interactúan, y estos sistemas y sus interacciones exhiben propiedades complejas.

Objetivo de Aprendizaje 2.1.A: Explicar cómo la estructura y función de los componentes subcelulares y organelos contribuyen a la función de las células.

• 2.1.A.1 Los ribosomas están compuestos por ARN ribosomal (ARNr) y proteínas. Estas estructuras subcelulares sin membrana se encuentran en células de todas las formas de vida y reflejan el ancestro común de toda la vida conocida. Los ribosomas sintetizan proteínas según secuencias de ARN mensajero (ARNm).
• 2.1.A.2 El sistema endomembranoso consiste en un grupo de organelos limitados por membrana y componentes subcelulares (retículo endoplasmático (RE), complejo de Golgi, lisosomas, vacuolas y vesículas de transporte, envoltura nuclear y membrana plasmática) que trabajan juntos para modificar, empaquetar y transportar polisacáridos, lípidos y proteínas entre células.
• 2.1.A.3 El retículo endoplasmático proporciona soporte mecánico al ayudar a las células a mantener su forma y juega un papel en el transporte intracelular.
  • i. El RE rugoso está asociado con ribosomas ligados a membranas, permite la compartimentalización de las células y ayuda a llevar a cabo la síntesis de proteínas.
  • ii. Las funciones del RE liso incluyen la desintoxicación de las células y la síntesis de lípidos.
  • Enunciado de exclusión: El conocimiento de las funciones específicas del RE liso en células especializadas está fuera del alcance del Examen AP.
• 2.1.A.4 El complejo de Golgi es una estructura limitada por membrana que consiste en una serie de sacos membranosos aplanados. Las funciones del Golgi incluyen:
  • i. Doblamiento correcto y modificación química de productos celulares recién sintetizados
  • ii. Empaquetamiento de proteínas para el tráfico
  • Enunciado de exclusión: El conocimiento del papel del Golgi en la síntesis de fosfolípidos específicos y el empaquetamiento de enzimas específicas para lisosomas, peroxisomas y vesículas secretoras está fuera del alcance del Examen AP.
  • Ejemplos ilustrativos para 2.1.A.4:
    • Glicosilación y otras modificaciones químicas de proteínas que tienen lugar dentro del Golgi y determinan la función o el destino de las proteínas
• 2.1.A.5 Las mitocondrias tienen una doble membrana que proporciona compartimentos para diferentes reacciones metabólicas involucradas en la respiración celular aeróbica. La membrana externa es lisa, mientras que la membrana interna está altamente convoluta, formando pliegues que permiten que el ATP se sintetice de manera más eficiente.
• 2.1.A.6 Los lisosomas son sacos encerrados por membrana que contienen enzimas hidrolíticas que digieren material. Los lisosomas también juegan un papel en la muerte celular programada (apoptosis).
• 2.1.A.7 Las vacuolas son sacos limitados por membrana que desempeñan muchos roles diferentes.
  • i. En células vegetales, una vacuola grande especializada mantiene la presión de turgencia mediante el almacenamiento de nutrientes y agua.
  • ii. En células animales, las vacuolas son de menor tamaño, son más abundantes que en las células vegetales y almacenan materiales celulares.
• 2.1.A.8 Los cloroplastos son organelos especializados que se encuentran en plantas y algas fotosintéticas. Los cloroplastos contienen una doble membrana y sirven como lugar para la fotosíntesis.

Idea Central 2 — Energetics (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 2.2.A: Explicar el efecto de las relaciones superficie-volumen en el intercambio de materiales entre células u organismos y el entorno.

• 2.2.A.1 Las relaciones superficie-volumen afectan la capacidad de un sistema biológico para obtener nutrientes necesarios, eliminar productos de desecho, adquirir o disipar energía térmica y realizar otros intercambios químicos y energéticos con el entorno.
  • Ecuaciones relevantes:
    • Volumen de una esfera: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Volumen de un cubo: $V = s^3$
    • Volumen de un prisma rectangular: $V = lwh$
    • Volumen de un cilindro: $V = \pi r^2 h$
    • Área superficial de una esfera: $SA = 4\pi r^2$
    • Área superficial de un cubo: $SA = 6s^2$
    • Área superficial de un prisma rectangular: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Área superficial de un cilindro: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = radio
    • $l$ = largo
    • $h$ = altura
    • $w$ = ancho
    • $s$ = longitud de uno de los lados de un cubo
  • Ejemplos ilustrativos para 2.2.A.1:
    • Relaciones SA/V e Intercambios
      • Pelos radiculares
      • Células guardantes
      • Células epiteliales del intestino
    • Cilios
    • Estomas
• 2.2.A.2 El área superficial de la membrana plasmática debe ser lo suficientemente grande como para permitir un intercambio adecuado de materiales.
  • i. La relación superficie-volumen puede restringir el tamaño y la forma celular. Las células más pequeñas suelen tener una mayor relación superficie-volumen, así como un intercambio de materiales más eficiente con el entorno que las células más grandes.
  • ii. A medida que aumentan las células en volumen, la relación superficie-volumen disminuye y aumenta la demanda de recursos internos.
  • iii. Son necesarias estructuras celulares más complejas (p. ej., pliegues de membrana) para intercambiar adecuadamente materiales con el entorno.
  • iv. A medida que los organismos aumentan de tamaño, su relación superficie-volumen disminuye, lo que afecta propiedades como la tasa de intercambio de calor con el entorno. Las masas más pequeñas intercambian proporcionalmente más calor con el ambiente que las masas más grandes. A medida que aumenta la masa, tanto la relación superficie-volumen como la tasa de intercambio de calor disminuyen.
  • v. Existe una relación entre la tasa metabólica por unidad de masa corporal y el tamaño de los organismos multicelulares; típicamente, cuanto más pequeño es el organismo, mayor es la tasa metabólica por unidad de masa corporal.

Idea Central 2 — Energetismo (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 2.3.A: Describir las funciones de cada uno de los componentes de la membrana celular en el mantenimiento del entorno interno de la célula.

• 2.3.A.1 Los fosfolípidos tienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas. Las regiones polares hidrofílicas del fosfato de los fosfolípidos están orientadas hacia el medio acuoso externo o interno, mientras que las regiones no polares hidrofóbicas de los ácidos grasos se enfrentan entre sí dentro del interior de la membrana.
• 2.3.A.2 Las proteínas embebidas pueden ser hidrofílicas (con grupos laterales cargados y polares), hidrofóbicas (con grupos laterales no polares) o ambas.
  • i. Las regiones hidrofílicas de las proteínas se encuentran ya sea en el interior de la propia proteína o expuestas al citosol (citoplasma).
  • ii. Las regiones hidrofóbicas de las proteínas constituyen la superficie proteica que interactúa con los ácidos grasos en el interior de la membrana.

Objetivo de Aprendizaje 2.3.B: Describir el modelo de mosaico fluido de las membranas celulares.

• 2.3.B.1 Las membranas plasmáticas consisten en un marco estructural de moléculas de fosfolípidos embebido con proteínas, esteroles (como el colesterol en animales vertebrados), glucoproteínas y glicolípidos. Todos estos pueden moverse alrededor de la superficie de la célula dentro de la membrana, como lo ilustra el modelo de mosaico fluido.

Idea Principal 2 — Energetia (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 2.4.A: Explicar cómo la estructura de las membranas biológicas influye en la permeabilidad selectiva.

• 2.4.A.1 Las membranas plasmáticas separan el entorno interno de la célula del entorno externo. La permeabilidad selectiva es el resultado de que la membrana plasmática posea un interior hidrofóbico.
• 2.4.A.2 Las moléculas pequeñas no polares, incluyendo $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ y $\mathrm{CO_2}$, cruzan libremente la membrana. Las sustancias hidrófilas, como las moléculas polares grandes y los iones, atraviesan la membrana a través de canales integrados y proteínas transportadoras.
• 2.4.A.3 Las colas hidrocarbonadas no polares de los fosfolípidos impiden el movimiento de iones y moléculas polares a través de la membrana. Las moléculas polares pequeñas y sin carga, como $\mathrm{H_2O}$ o $\mathrm{NH_3}$ (amoníaco), pasan a través de la membrana en pequeñas cantidades.

Objetivo de Aprendizaje 2.4.B: Describir el papel de la pared celular en el mantenimiento de la estructura y función celular.

• 2.4.B.1 Las paredes celulares de Bacterias, Arqueas, Hongos y plantas proporcionan una barrera estructural, así como una barrera de permeabilidad para ciertas sustancias hacia los entornos celulares internos o externos, y protección contra la lisis osmótica.

Idea central 2 — Energetica (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 2.5.A: Describir los mecanismos que utilizan los organismos para mantener el equilibrio de solutos y agua.

• 2.5.A.1 La permeabilidad selectiva de las membranas permite la formación de gradientes de concentración de solutos a través de la membrana.
• 2.5.A.2 El transporte pasivo es el movimiento neto de moléculas desde regiones de alta concentración hacia regiones de baja concentración sin la entrada directa de energía metabólica.
• 2.5.A.3 El transporte activo requiere la entrada directa de energía para mover moléculas. En algunos casos, el transporte activo se utiliza para mover moléculas desde regiones de baja concentración hacia regiones de alta concentración.

Objetivo de aprendizaje 2.5.B: Describir los mecanismos que utilizan los organismos para transportar grandes moléculas a través de la membrana plasmática.

• 2.5.B.1 Los procesos de endocitosis y exocitosis requieren energía para mover sustancias grandes o grandes cantidades de sustancias dentro y fuera de las células.
  • i. En la endocitosis, la célula ingiere moléculas grandes y materia particulada mediante el plegamiento de la membrana plasmática sobre sí misma y la formación de nuevas vesículas (pequeñas) que engullen material del entorno externo.
  • ii. En la exocitosis, las vesículas internas liberan material de las células al fusionarse con la membrana plasmática y secretar grandes moléculas desde la célula.

Idea central 2 — Energetia (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 2.6.A: Explicar cómo la estructura de una molécula afecta su capacidad para atravesar la membrana plasmática.

• 2.6.A.1 La difusión facilitada requiere proteínas de transporte o canales para permitir el movimiento de iones cargados a través de la membrana.
  • i. Las membranas pueden volverse polarizadas por el movimiento de iones a través de la misma.
  • ii. Los iones cargados, incluyendo $\mathrm{Na^+}$ (sodio) y $\mathrm{K^+}$ (potasio), requieren proteínas de canal para moverse a través de la membrana.
• 2.6.A.2 La difusión facilitada permite el movimiento de grandes moléculas polares a través de las membranas sin aporte de energía. En este tipo de difusión, las sustancias se mueven a favor del gradiente de concentración.
• 2.6.A.3 Las acuaporinas transportan grandes cantidades de agua a través de las membranas.

Idea Central 2 — Energetismo (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 2.7.A: Explicar cómo los gradientes de concentración afectan el movimiento de las moléculas a través de membranas.

• 2.7.A.1 Los entornos externos pueden ser hipotónicos, hipertónicos o isotónicos en relación con los ambientes internos de las células. El movimiento del agua también puede describirse como el desplazamiento desde regiones hipotónicas hacia regiones hipertónicas. El agua se mueve por ósmosis desde regiones de alto potencial hídrico hacia regiones de bajo potencial hídrico.
  • Ecuación (Potencial Hídrico): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • donde:
    • $\psi_p$ = potencial de presión
    • $\psi_s$ = potencial de soluto
  • Ejemplos ilustrativos para 2.7.A.1:
    • Vacuola contráctil en protistas
    • Vacuola central en células vegetales

Objetivo de Aprendizaje 2.7.B: Explicar cómo los mecanismos osmorreguladores contribuyen a la salud y supervivencia de los organismos.

• 2.7.B.1 El crecimiento y la homeostasis se mantienen mediante el movimiento constante de moléculas a través de membranas.
• 2.7.B.2 La osmorregulación mantiene el equilibrio de agua y permite a los organismos controlar su composición interna de solutos y su potencial hídrico. El agua se mueve desde regiones de baja osmolaridad o concentración de solutos hacia regiones de alta osmolaridad o concentración de solutos.
  • Ecuación (Potencial de Soluto de una Solución): $\psi_s = -iCRT$
    • donde:
    • $i$ = constante de ionización
    • $C$ = concentración molar
    • $R$ = constante de presión $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = temperatura en Kelvin (°C + 273)

Idea central 2 — Energetia (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 2.8.A: Describir los procesos que permiten el movimiento de iones y otras moléculas a través de las membranas.

• 2.8.A.1 Se requiere energía metabólica (como la proveniente del ATP) para el transporte activo de moléculas a través de la membrana y para establecer y mantener gradientes electroquímicos.
  • i. Las proteínas de membrana son necesarias para el transporte activo.
  • ii. La bomba $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ y la ATPasa contribuyen al mantenimiento del potencial de membrana.

Idea central 2 — Energetía (ENE): Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 2.9.A: Describir las estructuras delimitadas por membrana de la célula eucariota.

• 2.9.A.1 Las membranas y los orgánulos delimitados por membrana en las células eucariotas compartimentalizan los procesos metabólicos intracelulares y las reacciones enzimáticas específicas.

Objetivo de aprendizaje 2.9.B: Explicar cómo las membranas internas y los orgánulos delimitados por membrana contribuyen a la compartimentalización de las funciones de la célula eucariota.

• 2.9.B.1 Las membranas internas facilitan los procesos celulares al minimizar las interacciones competitivas y al aumentar el área superficial donde pueden ocurrir las reacciones.

Idea Central 1 — Evolución (EVO): El proceso de evolución impulsa la diversidad y la unidad de la vida.

Objetivo de Aprendizaje 2.10.A: Describir las similitudes y/o diferencias en la compartimentación entre células procariotas y eucariotas.

• 2.10.A.1 Los orgánulos unidos a membrana, como las mitocondrias y los cloroplastos, evolucionaron a partir de células procariotas que alguna vez vivían de forma independiente mediante endosimbiosis.
• 2.10.A.2 Las procariotas generalmente carecen de orgánulos internos unidos a membrana, pero poseen regiones internas con estructuras y funciones especializadas.
• 2.10.A.3 Las células eucariotas mantienen membranas internas que particionan la célula en regiones especializadas.