BIOLOGIA GENERAL

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

INTRODUCCION

El protoplasma es el material viviente en la célula, es decir todo el interior de la célula (también el núcleo y el citoplasma). Está formado por los elementos y sustancias químicas que se encuentran en la naturaleza.

Para que la célula funcione eficientemente debe mantenerse en el mismo ambiente estable conocido como homeóstasis. Para mantener este equilibrio existen mecanismos para el transporte selectivo de materiales hacia el interior o exterior de la célula. Las membranas de la célula son selectivamente permeables, permitiendo el paso de algunas sustancias o partículas (moléculas, átomos, o iones) e impidiendo el paso de otras. Esta selectividad se debe a la capa doble de fosfolipidos de la membrana. La manera en que las moléculas pasan por la membrana depende en parte de la polaridad de las mismas. Las moléculas hidrofobicas , o no polares , pasan con relativa libertad a través de la capa de lípidos mientras que las moléculas hidrofilicas , o polares incluyendo el agua y las moléculas de mayor tamaño pasan a través de canales formados por proteínas transportadoras. La regulación del transporte de las moléculas o la dirección en que se mueven depende de su gradiente concentración (diferencia en concentración entre dos lugares).

El objetivo por lo general es demostrar experimentalmente el comportamiento de la membrana celular de una célula vegetal ante una solución hipertónica y también dar a conocer la difusión y la osmosis que son importantes para la célula.

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Organización física

El protoplasma

El protoplasma es un término introducido por jan evangelista para referirse a la sustancia viva de la célula.

Se subdivide en dos partes: el citoplasma y el cario plasma, el citoplasma se encuentra desde la membrana celular hasta el núcleo y es el lugar donde ocurre el metabolismo celular, y el carioplasma , el líquido intranuclear , es el sitio donde ocurre el metabolismo de los ácidos nucleídos.

CTOPLASMA

Sustancia gelatinosa (semi liquido – viscoso) se encuentra en entre el núcleo y la membrana plasmática.

Componentes

H2O. sales , proteínas , lípidos, azucares, moléculas orgánicas ( bio o macro moléculas).ácidos nucleídos (ADN-ARN)

ESTRUCTURA

Citosol: Porción liquida del citoplasma

Agua: Componente principal

En el agua están disueltos los minerales, moléculas orgánicas.

Entre el liquido y el sólido (plasma, jalea, clara de huevo, vidrio , citosol)

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El nucleoplasma o carioplasma es el medio interno semilíquido del núcleo celular, en el que se encuentran sumergidas las fibras de ADN cromatina y fibras de ARN conocidas como nucléolos.

SISTEMAS DISPERSOS

Se les consideran a aquellas sustancias que estén mezcladas, es decir, dos o más sustancias que estén unidas físicamente pero que también se puedan separar por medio de métodos químicos y que al mezclarse no pierdan ninguno de sus componentes ambas sustancias.

Muchos de estos se encuentran en el entorno en donde nos desarrollamos entre ellos están, el aire, agua de los mares y los lagos, la leche y lo que se deriva de ella: como lo es el queso, la mantequilla, etc., los productos de limpieza, medicinas, los líquidos que se encuentran en nuestro cuerpo, y los muebles fabricados con latón.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DISPERSOS:

Las mezclas están compuestas por una sustancia, que es el medio, en el que se encuentran una o más sustancias en menor proporción. Se llama fase dispersante al medio y fase dispersa a las sustancias que están en él.a) De acuerdo al tamaño de las partículas de la fase dispersa, las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.

Mezclas homogéneas:

Son aquellas cuyos componentes no son identificables a simple vista, es decir,se aprecia una sola fase física.Ejemplo: El agua potable es una mezcla homogénea de agua (fasedispersante) y varias sales minerales (fase dispersa). Sin embargo, no vemos las sales que están disueltas; sólo observamos la fase líquida. Entre las mezclas homogéneas se distingue una de gran interés: la solución o disolución química.

DISOLUCIONES

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Las disoluciones presentan las siguientes características:

Es una mezcla homogénea. Las sustancias dispersas se encuentran en estado de división molecular

o iónica. No posee una composición cuantitativa definida. Sus componentes sólo pueden separase mediante cambios de estado de

agregación.

Las disoluciones se pueden clasificar teniendo en cuenta el estado físico en sólidas, líquidas y gaseosas. En Química Analítica las disoluciones líquidas son las más comunes.

Una disolución está compuesta por el soluto y el disolvente. El soluto es el componente que cambia el estado físico al formarse la disolución y el disolvente el que lo mantiene. Ejemplo: en una disolución de NaCl en agua, el soluto es el NaCl y el disolvente es el agua. Si todas las sustancias que forman la disolución mantienen su estado físico original, el soluto será entonces el componente que está en menor proporción.

Mezclas heterogéneas:

Son aquellas cuyos componentes se pueden distinguir a simple vista, apreciándose más de una fase física.Ejemplo: Agua con piedra, agua con aceite.Característica de la mezcla: 2 fases (difásico)2 componentes (agua y aceite) Sistema binario (existen 2 componentes)

b) Las mezclas heterogéneas se pueden agrupar en: emulsiones, suspensiones y coloides.

Emulsiones:Conformada por 2 fases líquidas inmiscibles. El diámetro de las partículas de la fase dispersa es aproximadamente ≤ 0.005 mm.Ejemplo: agua y aceite, leche, mayonesa.

Suspensiones:Conformada por una fase sólida insoluble en la fasedispersante líquida, por lo cual tiene un aspecto opaco. Las partículasdispersas son relativamente grandes.Ejemplo: Arcilla, tinta china (negro de humo y agua), pinturas al agua, cemento.

Coloides o soles:Es un sistema heterogéneo en donde el sistema disperso puede ser observado a través de un ultramicroscopio, el tamaño de laspartículas del sistema disperso está entre 10 y 1000 Aº

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La fase dispersa esta constituido por partículas llamadas MICELAS , las cuales se hallan en continuo movimiento , siguiendo trayectorias de zig-zag , a este fenómeno se le denomina movimiento Browniano. Una propiedad óptica de los coloides consiste en la difracción de los rayos de luz que pasan a través de una disolución coloidal (efecto Tyndall). Esto no ocurre si el rayo de luz atraviesa una solución verdadera.

c) Según el grado de división de las partículas dispersas los sistemas se pueden clasificar

o Dispersiones macroscópicas o groseras: Son sistemas heterogéneos en el que se observan las partículas a simple vista.

Por ejemplo: el granito (formado por cuarzo mica y feldespato) .arena con agua , etc.

o Dispersiones finas: Son sistemas heterogéneos visibles al microscopio y pueden tomar los nombres de emulsión o dispersión según el caso (ver ese tópico).

o Dispersiones o sistemas coloidales: En estas dispersiones las fases son observadas únicamente con el microscopio electrónico y son las que marcan en la realidad si un sistema es homogéneo o heterogéneo.

Por ejemplo: la gelatina

• Soluciones verdaderas: en estos sistemas las partículas dispersas son moléculas o iones. Son verdaderos sistemas homogéneos y sus partículas no

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son visibles aun con el microscopio electrónico. Por ejemplo: azúcar disuelta en agua, una solución de sal y agua. Se estudiarán en la próxima unidad.

Desde el punto de vista estructural · Sistemas incoherente · Sistemas coherentes

Los sistemas incoherentes están formados por dos fases bien definidas, una de ellas la fase dispersante, externa o continua, y la otra la fase dispersa, interna o discontinua. Esta última fase puede encontrarse en forma de partículas sólidas como en las dispersiones coloidales y suspensiones o en forma de gotitas en el caso de las emulsiones.Los sistemas coherentes están formados por dos fases entremezcladas y estabilizadas por mecanismos físico-químicos como sucede en los geles. Las partículas dispersadas se contactan entre sí formando una estructura tridimensional en las que ambas fases se ínter penetran proporcionando al sistema propiedades físico-químicas y geológicas especificas.

De acuerdo al estado físico de la materia 

Pueden existir sistemas dispersos de:

Líquido en gas: aerosoles líquidos, nebulizaciones, niebla. Sólido en gas: aerosoles sólidos, humos. Gas en líquidos: espuma. Líquido en líquido: emulsiones. Sólido en líquidos: dispersiones coloidales, suspensiones. Gas en sólido: espumas sólidas Sólido en sólido: oro coloidal. Cristales líquidos: estado intermedio entre sólido cristalino y líquido. 

Estos sistemas dispersos tienen un importante interés galénico, porque pueden constituir por si mismos formas farmacéuticas, o bien emplearse como componentes de las mismas. Las dispersiones coloidales se utilizan como agentes reológicos para aumentar la estabilidad de suspensiones y emulsiones.

Dependiendo del tamaño de las partículas, los sistemas dispersos se clasifican en:

Soluciones (las partículas disueltas –soluto- tienen tamaño molecular o iónico, lo cual hace prácticamente imposible observarlas a simple vista)

Coloides (las partículas dispersas son de mayor tamaño que las de soluto en una solución y menores que en las suspensiones)

Suspensiones (son dispersiones en las cuales el tamaño de sus partículas es mayor de 100 nm (1 nm = 10-9 m) razón por la cual se sedimentan en reposo)

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Características de las Soluciones:

El soluto disuelto tiene tamaño molecular o iónico. Cuando son líquidas son transparentes y no dispersan la luz. El soluto permanece distribuido uniformemente en la solución y no se sedimenta con el tiempo. Los medios físicos por los cuales se pueden separar sus componentes son generalmente destilación y evaporación. Las soluciones se clasifican dependiendo del estado físico de las sustancias que las van a formar. La solución tiene el estado físico del solvente. Las soluciones más comunes son acuosas.

Ejemplos de Soluciones:

Soluto Solvente Solución Ejemplo

Gas Gas Gas Aire (O2 en N2 )

Gas Liquido Liquido Refrescos (CO2 en agua)

Liquido Liquido Liquido Vino ( etanol en agua)

Liquido Sólido Sólido Empastes dentales (mercurio liquido en plata sólida)

Sólido Liquido Liquido Salmuera (NaCl en agua)

Sólido Sólido Sólido Acero ( carbono en hierro)

La solubilidad es una medida de la cantidad de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de solvente en condiciones específicas.

PROPIEDADES DE LOS COLOIDES

El medio interno celular tiene carácter coloidal, y presenta las siguientes propiedades:

* Efecto Tyndall. Las dispersiones coloidales son transparentes y claras, aunque presentan cierta turbidez cuando se iluminan de forma transversal. Este

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fenómeno es debido a a la dispersión de la luz provocada por partículas coloidales de gran tamaño.

* Movimiento browniano. Las partículas coloidales presentan un movimiento arbitrario y desordenado provocado por las moléculas de la fase dispersante, cuyo estado físico implica un continuo movimiento de sus componentes moleculares.

* Sedimentación. Las partículas coloidales se mantienen en suspensión, pero es posible su sedimentación (floculación) cuando se someten a un fuerte campo gravitatorio.

* Elevada viscosidad. Las dispersiones coloidales son muy viscosas porque contienen moléculas de gran tamaño; su viscosidad se incrementa a medida que aumenta la masa molecular o el número de partículas coloidales.

* Elevada adsorción. La adsorción es la capacidad de atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas. El poder adsorbente de las partículas coloidales facilita la verificación de reacciones químicas.

* Diálisis.  Es el proceso de separación de las moléculas que integran una dispersión coloidal en función de su tamaño a través de una membrana semipermeable. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua, e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. La membrana celular actúa como una membrana de diálisis que permite el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular, e impide la salida de las macromoléculas que quedan en el interior.

Los coloides se caracterizan por presentar las siguientes propiedades:

a) Sus partículas se encuentran en constante movimiento, al que denomina browniano, en honor al científico que lo observo por primera vez.

b) Todas las partículas poseen carga eléctrica pero del mismo signo, y por eso su rechazo y movimiento.

c) La fase dispersante puede disminuir y entonces el coloide toma un aspecto más o menos solido o de GEL, o también puede aumentar tomando el coloide un aspecto más o menos liquido o de SOL. El protoplasma puede pasar de Gel a sol o de Sol a Gel.

Debido a estas propiedades de las partículas, las sustancias que forman la fase dispersa o sea los hidratos de carbono, lípidos y proteínas, no precipitan y forman una solución coloidal estable.

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PROPIEDADES FISICAS EN FUNCION DE LA MEMBRANA

Las membranas biológicas, tanto de células eucarióticas como de las procarióticas poseen una serie de propiedades físicas notables:

1. Son estructuras laminares, de 6 a 10 nm de espesor, muy extensas: se pueden considerar

bidimensionales. Singer y Nicolson (1972): Las membranas están constituidas por una bicapa lipídica de 6 a 10 nm de espesor, compuesta por: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles, que actúa como una barrera de permeabilidad, en la cual se insertan a intervalos irregulares proteínas globulares que se mantienen unidas a la bicapa por interacciones hidrofóbicas entre los lípidos y los dominios hidrofóbicos de las proteínas.

2. Están compuestas por sólo dos capas de moléculas: bicapa (hoja citosólica, hoja externa)La distribución de los lípidos de las dos monocapas de la bicapa lipídica en muchas membranas es diferente. Como se había descrito anteriormente, la distribución de los diferentes fosfolípidos en la bicapa van a determinar la asimetría de la membrana. De igual manera, cada tipo de proteínas integrales y periféricas de membrana tienen una orientación única y específica con respecto a las caras exoplasmáticas y citosólicas de la membrana celular, es decir, la presencia de glucolípidos exclusivamente en la hoja exoplasmática también contribuye a la asimetría de la membrana.

3. Son flexibles: permiten cambios de forma, crecimiento y movimiento celulares.

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4. Separan la célula del medio extracelular (membrana plasmática), forman compartimentos cerrados, diferencian espacios.

5. Son autosellantes: permiten la fusión entre membranas (endocitosis, exocitosis, división celular)

La endocitosis es el movimiento de materiales hacia adentro de la célula, por la vía de vesículas de membrana. La exocitosis es el movimiento de materiales para afuera de la célula, por la vía de vesículas membranosas.

Estos procesos permiten arreglos en la membrana para fluir de compartimiento en compartimiento, y requiere pensar a la célula como

algo dinámico y no como una estructura estática.

6. Son selectivamente permeables a los solutos polares: retienen ciertos compuestos o iones dentro de las células y excluyen otros

La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Pequeñas moléculas y moléculas con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. La membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otras. La permeabilidad depende de los siguientes factores:

Solubilidad en los lípidos: Las sustancias que se disuelven en los lípidos (moléculas hidrófobas, no polares) penetran con facilidad en la membrana dado que está compuesta en su mayor parte por fosfolípidos.

Tamaño: La mayor parte de las moléculas de gran tamaño no pasan a través de la membrana. Sólo un pequeño número de moléculas no polares de pequeño tamaño pueden atravesar la capa de fosfolípidos.

Carga: Las moléculas cargadas y los iones no pueden pasar, en condiciones normales, a través de la membrana. Algunas sustancias cargadas pueden pasar los canales proteicos o con la ayuda de una proteína transportadora.

7. No son barreras pasivas: promueven y catalizan procesos celulares como transporte específico de solutos, rutas metabólicas, transducción de señales exteriores a la célula, etc.

8. La mayoría de las membranas están polarizadas eléctricamente (potencial transmembrana)

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9. Son estructuras fluidas: modelo de mosaico fluido

El modelo más aceptado actualmente es el propuesto por Singer y Nicholson (1972), denominado modelo del MOSAICO FLUIDO.

La membrana plasmática no es una estructura estática, sus componentes pueden moverse, lo que le proporciona una cierta fluidez. La fluidez es una de las características más importantes de las membranas.

Depende de factores como:

1.-La temperatura; la fluidez aumenta al aumentar la temperatura.

2. La naturaleza de los lípidos; la presencia de lípidos INSATURADOS y de cadena corta favorecen el aumento de la fluidez; la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad, proporcionándole estabilidad.

Con los datos ofrecidos por la microscopía electrónica y los análisis bioquímicos se ha elaborado este modelo de membrana.

Características del modelo de MOSAICO FLUIDO:

1.-La membrana es como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es la base o soporte y las proteínas están incorporados o asociados a ella, interactuando unas con otras y con los lípidos. Tanto las proteínas como los lípidos pueden desplazarse lateralmente.

2.-Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaico.

3.-Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de sus componentes, fundamentalmente de los

glúcidos, que sólo se encuentran en la cara externa.

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TENSION SUPERFICIAL

En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía

necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición

implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este

efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris),

desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los

líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies

sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto

tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de

contacto con un sólido.

Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa

tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de

un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas

cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno

conocido como tensión superficial.

CAUSA

La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a

cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en

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el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que

en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga

una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta

hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene

un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la

realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia

de densidadesentre el líquido y gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en

un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina.

Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener,

pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las

interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el

disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su

superficie.

Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor

energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del

sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número

de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el

mínimo posible.

Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave

que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies

minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido

intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado

de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su

potencial gravitacional.

PROPIEDADES

La tensión superficial suele representarse mediante la letra griega   (gamma),

o mediante   (sigma). Sus unidades son de N·m−1, J·m−2, kg·s−2 o dyn·cm−1 .

Algunas propiedades de  :

 > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta

llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del

sistema y   es

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o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la

superficie  depende de la naturaleza de las dos fases puestas en

contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión

superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor,

agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al

cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre

las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-

superficie).

 se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide

en N·m−1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico

confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta

tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el

líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su

superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión

superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón

desde el hexano hacia el agua.

El valor de   depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en

el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de

cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar

este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el

caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van

der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de

puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido

al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la   de cada líquido

crece del hexano al mercurio.

Para un líquido dado, el valor de   disminuye con la temperatura, debido

al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor

intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de   tiende

a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura

crítica Tc del compuesto.

En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una

fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos,

desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensión

superficial vale 0.

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CONCLUSIONES

Los medios por los cuales la célula ingresa partículas ya sea de soluto o solvente se llaman fagocitosis y pinocitocis en tanto que el proceso para liberarse de partículas que ya no son útiles para la célula se denomina exocitosis, de esta manera se ha establecido los medios de entrada y salida de partículas de adentro hacia afuera de la célula y viceversa.

Experimentalmente se logró demostrar el comportamiento de la membrana celular ante una solución hipertónica, que es de tratar de lograr un equilibrio en las concentraciones existentes en la soluciones internas y externas, y al verse rodeada de mayor cantidad de soluto lo que hace es liberar solvente hacia el medio externo y de este modo también la célula queda deshidratada

BIBLIOGRAFÍA

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