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Indicadores de logro:
Explica el mecanismo general de la respiración celular eucariota.
Describe la estructura y funciones de las mitocondrias.
Describe la estructura y funciones de los cloroplastos.
Evidencia el proceso de fotosíntesis a partir de un experimento.
Efectúa un experimento para extraer pigmentos fotosintéticos.
Explica el mecanismo general del proceso de fotosíntesis en plantas.
Irene: Anoche no pude dormir porque me puse a pensar ¿qué es más importante, comer o respirar? Un par de minutos sin respirar y sientes más peligro que medio día sin comer.
Carlos: No, creo que ambos están relacionados. El oxígeno no es una fuente de energía biológica, así que debe servir para aprovechar la energía de nuestros alimentos.
A. ¿Para qué sirve el oxígeno?
Procedimiento:
Tu docente dirigirá una discusión con la clase.
Parte I de discusión: Piensa sobre las siguientes interrogantes: «¿Para qué respiramos?» «¿Respirar es más importante que alimentarse?» «¿El aire contiene energía?» «¿Está relacionada la respiración con la obtención de energía?»
Parte II de discusión: escribe las principales ideas de la discusión.
Carlos: ¿Por qué alimentarse y respirar es tan importante para los seres vivos? Aunque nos alimentemos, si dejamos de respirar no obtenemos la fuente de energía biológicamente útil que mantiene nuestras vidas. Pero ¿Cómo obtenemos glucosa?
Ahora describiremos el proceso de obtención de energía a partir de nuestros alimentos, este es denominado respiración celular.
Este es un proceso catabólico mediante el cual se transforma la energía almacenada en las biomoléculas que obtenemos en el alimento en energía biológicamente útil, específicamente en ATP. Es un proceso largo, y se obtienen varias sustancias de residuo.
Los compuestos químicos utilizados como combustibles durante la respiración celular suelen ser azúcares como la glucosa (C6H12O6). En este caso las sustancias de residuo obtenidas son comúnmente dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).
Nico: La digestión de los alimentos inicia en la boca, donde muchos azúcares comienzan a digerirse, pasan al estómago luego en el intestino en su mayoría se rompen hasta formar azúcares simples como la glucosa. Estos son absorbidos e ingresan a las células.
Irene: Tengo muy claro que el oxígeno participa en la respiración celular. Pero ¿qué hay de los seres vivos que pueden subsistir sin él?
Carlos: Estos seres se denominan anaerobios, y su respiración celular no usa oxígeno, al contrario, los aerobios si necesitamos oxígeno.
Irene: Entonces ¿cómo ocurre la respiración celular?
Nico: Eso depende del tipo de célula. En procariotas, todo el proceso ocurre en el citoplasma. En eucariotas, parte del proceso ocurre en el citosol, y continúa en la mitocondria.
La mitocondria es un organelo necesario para la respiración celular aerobia en eucariotas. La membrana externa contiene una serie de poros que facilitan el ingreso de algunas moléculas grandes. La membrana interna está plegada en crestas y contiene una gran cantidad de proteínas que participan en la respiración aerobia, al igual que su parte más interna llamada luz.
La respiración celular es un proceso de óxido-reducción. Se requiere oxidar las biomoléculas combustibles como los azúcares, para descomponerlos y obtener energía biológicamente útil. Los pasos de la respiración celular son:
Glucólisis: Consiste en la descomposición inicial de la glucosa para la obtención neta de 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de piruvato por cada glucosa.
Descarboxilación del piruvato: Las moléculas de piruvato son tóxicas, así que en este proceso se descomponen en acetilo que ingresa a la mitocondria, y se libera CO2.
Ciclo de Krebs: Son una serie de reacciones que ocurren en la luz de la mitocondria y permiten descomponer el acetilo para generar coenzimas reducidas que activan la cadena transportadora de electrones: en el proceso también se libera CO2 y produce ATP.
Cadena transportadora de electrones: permite la transferencia de electrones desde las coenzimas hasta el oxígeno molecular que respiramos. El proceso genera ATP.
Fíjate que...
Cuando haces mucho ejercicio continuo, te quedas sin ATP rápidamente. Así que el organismo comienza a aumentar la velocidad de la glucólisis y comienza a subsistir principalmente por este proceso en lugar de la respiración aerobia.
NAD+ y NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina): con coenzimas capaces de recibir y donar electrones. La NAD+ pasa a NADH en el ciclo de Krebs (TCA). FADH2 (dinucleótido de flavina y adenina): con coenzimas capaces de recibir y donar electrones. La FAD+ pasa a FADH2 en el ciclo de Krebs.
La cadena transportadora de electrones consiste una serie de proteínas de la membrana reciben y transportan electrones que provienen de las coenzimas. El último receptor de electrones es el oxígeno, el cual al recibirlos se reduce a agua.
Es por ello que requerimos oxígeno en este proceso. La cadena transportadora de electrones permite la generación de un gradiente de hidrogeniones (H+) que permiten la producción de ATP. En ausencia de oxígeno, el piruvato puede reducirse a lactato a expensas de un NADH, o en algunos organismos como las levaduras, convertirse en alcohol etílico o etanol, liberando dióxido de carbono en el proceso. Estos constituyen procesos anaerobios.
Lisa: Ya aprendí cómo ingresa la glucosa a nuestro cuerpo, pero… ¿quién produce la glucosa que comemos?
B. ¿De dónde viene el azúcar?
Procedimiento:
Tu docente dirigirá una discusión con la clase.
Parte I de discusión: «¿Cómo obtenemos la glucosa?» «¿Cómo las plantas producen glucosa?» «O más bien ¿cómo se alimentan las plantas?»
Parte II de discusión: escribe las principales ideas vertidas con cada cuestionamiento.
Al recapitular el proceso de la respiración aerobia, nos damos cuenta que durante el proceso se requieren biomoléculas energéticas como la glucosa (C6H12O6), se libera CO2 y agua. Resulta que al contrastar este con el proceso de fotosíntesis, los requerimientos de esta última son los productos de la respiración aerobia, como se observa en sus ecuaciones generales:
La fotosíntesis es el proceso anabólico en el cual la energía de la luz visible se almacena en carbohidratos. Es decir, la fotosíntesis se puede considerar como el proceso en el cual se forman azúcares a partir de CO2, utilizando la energía de la luz visible.
Esto se logra mediante el retiro de electrones de relativamente baja energía de un compuesto donador y se convierten en electrones de alta energía por medio de la energía absorbida de la luz.
Irene: He escuchado que las plantas almacenan almidón, un azúcar repleto de glucosa. Ellas deben producir la glucosa de la cual nos alimentamos.
Nico: Los organismos que realizan fotosíntesis, se denominan fotosintéticos. Ahora te pregunto ¿cómo estos organismos son capaces de absorber la luz? Realiza la siguiente actividad.
C. ¿Por qué las plantas son verdes?
Procedimiento:
Tu docente dirigirá una discusión con la clase.
Parte I de discusión: «¿Qué es un pigmento fotosintético?» «¿Para qué sirve?»
Parte II de discusión: escribe las principales ideas vertidas con cada cuestionamiento.
Los dos grupos de pigmentos fotosintéticos más comunes son las clorofilas (A) y los carotenos (B), respectivamente. Ambos son capaces de absorber la luz a diferentes longitudes de onda.
A: Estructura básica de las clorofilas.
Fíjate que...
Los carotenos también se utilizan en flores para atraer polinizadores. Cuando los ingerimos, en nuestro interior se convierten en vitamina A.
Los cloroplastos tienen características únicas. Son de mayor tamaño que muchas células animales y se mueven en las células vegetales.
B: Estructura base de los beta caroteno, el grupo de carotenos más comunes. La clorofila se almacena en los cloroplastos de las células vegetales. En ellos se realiza la fotosíntesis.
Como puede observarse en su ecuación general, el principal propósito de la fotosíntesis es reducir los átomos de carbono del CO2, para enlazarlo en biomoléculas de alto contenido energético, como la glucosa. Ello trae consigo la subsecuente liberación de agua y oxígeno molecular (O2). Para poder reducir los átomos de carbono, se precisa que estos adquieran electrones de alta energía.
Estos en primera instancia se extraen a partir del agua, oxidándola y rompiéndola para obtener hidrogeniones (H+) y oxígeno molecular (O2) en un proceso denominado fotólisis del agua; sin embargo, el agua tiene sus electrones fuertemente unidos y son difíciles de extraer, por eso se necesita el aporte externo de energía (en forma de luz) y un mecanismo para utilizarlos en la reducción del CO2.
Esto se logra mediante una cadena transportadora de electrones ubicada en la membrana del disco tilacoide. Acá se genera ATP y NADPH (dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato), que se usan para producir azúcares.
D. Demanda de oxígeno
Materiales: Para las actividades D y E: tubos de ensayo, gotero, azul de metileno, leche, levadura, placa calefactora, vaso, hojas de chichipince, pétalos de clavel, frascos resistentes al calor y papel filtro.
Procedimiento:
Rotula tres frascos o tubos de ensayo del 1 al 3.
Añade 20 gotas ≈ 1 mL de cada material:
3. Añade 3 gotas de azul de metileno a cada tubo.
4. Mantén las soluciones en agitación hasta completar el paso 7.
5. Prepara una solución de levadura añadiendo 4 g de levadura a 20 mL de agua tibia (40 - 60 °C) en el vaso. Mantén en agitación la solución de levadura hasta su uso.
6. Añade 2 mL (40 gotas) de solución de levadura a todos los tubos.
7. Espera 30 - 40 min. Escribe tus principales observaciones.
E. Fotosíntesis del chichipince
Procedimiento:
Corta por mitad las hojas de chichipince (Hamelia patens) y pétalos de clavel (Malvaviscus arboreus).
Distribuye dos hojas en frascos resistentes al calor de al menos 50 mL de capacidad y somételos a los tratamientos presentados en el cuadro.
3. Coloca los frascos sobre la placa de calentamiento y espera a que ebullan. Realiza observaciones cada 20 s, durante un período de al menos 30 min.
4. Coloca un pequeño extremo de papel filtro en contacto con cada sustancia.
5. Coloca un pequeño extremo del papel filtro tocando las sustancia de los frascos.
6. Observa lo ocurrido durante 3 min, mientras mantienes fijo el papel filtro. Responde:
a. ¿Por qué los pigmentos se separaron de las hojas?
b. ¿Qué factores físicos o químicos intervinieron en el proceso?
c. ¿Por qué la sustancia de los frascos es capaz de recorrer el papel filtro?
Lisa: Vaya, quién diría que la fotosíntesis aprovechaba la luz del Sol para convertir el CO2 en azúcares. ¿Me pregunto si la energía solar funcionará de forma parecida?
Carlos: He escuchado que la energía solar funciona de manera parecida, pero en lugar de generar azúcares, produce energía eléctrica ¿qué tal si lo investigamos?
F. Respiración y fotosíntesis
Procedimiento:
Tu docente formará 4 equipos.
Elaboren una infografía que ilustre los pasos de la respiración celular aerobia.
Ahora estudiaremos algunas aplicaciones tecnológicas basadas en el aprovechamiento de la energía solar.
Revisen información referente a alguno de los siguientes temas:
Funcionamiento y aplicaciones de las celdas fotovoltaicas.
Combustible a partir de microalgas.
Organicen una exposición del tema seleccionado.
Luis: Creo que existe una relación entre la cantidad de oxígeno consumido por la levadura y la cantidad de leche que tenía para alimentarse. ¿cómo puedo averiguar esto?
Irene: Creo que deberíamos comparar ambas variables en un gráfico. ¿Qué tal si realizamos la siguiente actividad?
G. Comunicando la demanda de oxígeno
Procedimiento:
Presenta los resultados de la actividad demanda bioquímica de oxígeno en un cuadro.
2. ¿Existe alguna relación entre la cantidad de leche y tiempo de cambio de color en las muestras? Complementa un gráfico con los puntos correspondientes a los resultados y luego traza una línea entre cada punto.
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