I. Transporte de Agua y Regulación Hídrica Celular
Mecanismos de Transporte del Agua
Por mucho tiempo se pensó que la principal vía de entrada y salida de agua desde y hacia la célula se realizaba a través de la bicapa de fosfolípidos. Si bien el agua utiliza este medio de transporte, no es el principal, ya que se ha descubierto uno que es específico para este vital compuesto.
El principal mecanismo de transporte del agua a través de la membrana plasmática es mediante proteínas de canal, que reciben el nombre de **aquaporinas**. Estos canales son verdaderos poros que transportan el agua desde un medio hipotónico hacia otro hipertónico, hasta alcanzar el estado de isotonicidad (equilibrio). Podemos concluir, entonces, que la **ósmosis** corresponde a una difusión facilitada mediada por un canal, es decir, es un transporte pasivo.
Ósmosis en Células Vegetales
Frente a los cambios de concentración de solutos en el medio que las rodea, las células vegetales movilizan agua desde o hacia ellas, provocando una serie de cambios celulares.
El cambio más evidente que se observa en la ósmosis en células vegetales es el del volumen celular. Cuando las células vegetales se encuentran en un medio hipertónico, pierden agua de su citoplasma, lo que determina la disminución de su volumen. Bajo el microscopio se observa que la vacuola central, encargada principalmente de la reserva de agua, se contrae debido a la pérdida de agua, y que la membrana plasmática se retrae, alejándose de la pared celular. Este fenómeno se denomina **plasmólisis**.
Contrariamente, cuando las células vegetales se encuentran en un medio hipotónico, el agua ingresa al citoplasma, aumentando el volumen de la vacuola central y acercando la membrana plasmática a la pared celular. Este fenómeno se denomina **turgencia**.
Ósmosis en Células Animales
Las células animales también experimentan una serie de cambios cuando se someten a diferentes condiciones de contenido hídrico. Los cambios de volumen, producto de esto, son evidentes y fáciles de reconocer.
Cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico, se produce la salida de agua desde esta, por ósmosis. En el caso de los glóbulos rojos, este fenómeno se denomina **crenación**.
¿Qué ocurre si la célula está en un medio hipotónico? En este caso, el agua entra hacia la célula, produciendo el aumento de volumen de esta. En algunos casos, la célula puede “reventarse”, fenómeno conocido como **citólisis**.
Fenómenos Fisiológicos Asociados a la Ósmosis
Hay enfermedades que están asociadas a problemas en la ósmosis de las células, que explican por qué se sienten síntomas como deshidratación, deficiencia en el transporte de oxígeno, poliuria (exceso de orina excretada), polidipsia (sed excesiva), entre otros.
La **diabetes insípida**, por ejemplo, es una patología asociada a la deficiencia parcial o total de vasopresina, llamada también hormona antidiurética (HAD), o a la resistencia frente a su efecto. La hormona antidiurética, producida y secretada por la hipófisis, viaja hasta los riñones para “dar la orden” de que se reabsorba agua y que esta se conserve en el cuerpo. Esto ocurre porque la HAD estimula la producción de aquaporinas.
En el caso de las personas que padecen diabetes insípida hipofisaria, que no secretan suficiente HAD, el agua no se reabsorbe, debido a lo cual producen grandes volúmenes de orina diluida. Entonces, en presencia de HAD se forma orina concentrada y, en su ausencia, diluida.
II. La Fotosíntesis: Producción de Energía y Materia Orgánica
La Fotosíntesis: Un Proceso Vital
Todos los seres vivos incorporan continuamente sustancias químicas del medio para desarrollar sus diferentes procesos vitales. En el caso de organismos autótrofos, como las plantas, las algas y algunas bacterias (cianobacterias), el proceso fundamental de su nutrición es la **fotosíntesis**. Este proceso consiste en una serie de reacciones químicas en las que se utilizan sustancias inorgánicas presentes en el ambiente: agua (**H₂O**) y dióxido de carbono (**CO₂**).
Para la ocurrencia de estas reacciones se necesita energía lumínica, la cual es transformada en energía química por los organismos fotosintéticos.
En la fotosíntesis se producen dos sustancias imprescindibles para los seres vivos del ecosistema:
- **Oxígeno (O₂):** Se libera a la atmósfera. Este gas está íntimamente relacionado con el proceso de respiración celular que realizan todos los seres vivos aeróbicos.
- **Glucosa (C₆H₁₂O₆):** Una molécula de alto valor energético a partir de la cual se originan otras biomoléculas indispensables para los organismos, como proteínas, lípidos y otros glúcidos (como el almidón). Estas biomoléculas, derivadas de la fotosíntesis, son la base de la nutrición de los heterótrofos.
Glosario de Nutrición
- Autótrofos: Organismos que son capaces de sintetizar sus propios nutrientes.
- Aeróbicos: Organismos que utilizan oxígeno en la respiración celular, proceso mediante el cual obtienen energía aprovechable por la célula.
- Heterótrofos: Organismos que se alimentan de otros seres vivos, o de partes de ellos.
Estructuras Clave en la Fotosíntesis
Los organismos fotosintéticos tienen nutrición autótrofa, ya que son capaces de sintetizar los nutrientes necesarios para sus procesos vitales. Para llevar a cabo este proceso, estos organismos requieren estructuras especializadas.
¿En qué organelo ocurre la fotosíntesis? En el caso de algas y plantas, el organelo celular en el que se realiza este proceso es el **cloroplasto**, cuya estructura se describe a continuación. En el interior de los cloroplastos hay un pigmento fundamental para que la fotosíntesis se lleve a cabo, llamado **clorofila**. Otros pigmentos fotosintéticos importantes son los carotenoides (tonalidades anaranjadas) y las xantófilas (color amarillo).
Componentes del Cloroplasto
Los cloroplastos se componen de una doble membrana, en cuyo interior, o **estroma**, se encuentran discos membranosos llamados **tilacoides**, que al agruparse forman una estructura denominada **grana**.
Entrada de Agua y Dióxido de Carbono a la Planta
¿Cómo ingresan el agua (H₂O) y el dióxido de carbono (CO₂) a la planta? En el caso del agua, esta ingresa por las raíces y luego es transportada hacia las hojas por conductos formados por un tejido llamado **xilema**.
El dióxido de carbono, que es un gas presente en la atmósfera, ingresa a través de las hojas por unos poros llamados **estomas** (del griego stoma, que significa boca). Los estomas están formados por unas células llamadas **células oclusivas o guardianes** y permiten el intercambio de vapor de agua y otros gases entre la planta y su medio.
Regulación Estomática y Transpiración
Las células guardianes experimentan cambios en su forma y volumen determinando así la apertura o cierre de los estomas. Cuando la concentración de sales al interior de las células guardianes es mayor que fuera de estas, el agua ingresa a ellas por ósmosis, provocando que se hinchen y se cierre así el estoma.
Por el contrario, cuando la concentración de sales es mayor fuera de las células guardianes, el agua sale de estas y el estoma se abre, permitiendo que el CO₂ presente en la atmósfera ingrese al interior de la hoja. En condiciones normales, los estomas de la mayoría de las plantas están abiertos durante el día y cerrados durante la noche.
La salida de agua por los estomas se denomina **transpiración**. Es importante mantener hidratadas las plantas, ya que, cuando la cantidad de agua no es suficiente, los estomas se cierran, impidiendo la entrada de CO₂. Si esta situación se mantiene en el tiempo, la planta puede morir.
Fases de la Fotosíntesis
A. Fase Primaria o Dependiente de Luz
Al interior de los cloroplastos, los pigmentos fotosintéticos se organizan formando **fotosistemas**, que son unidades que captan energía lumínica y se encuentran en la membrana de los tilacoides. En cada fotosistema, la antena, que es un conjunto de pigmentos, absorbe gran parte de la energía lumínica, la modifica y la conduce hacia el **centro de reacción**, que es donde se encuentra una molécula de clorofila que desencadena el proceso fotosintético.
Las reacciones de la fase dependiente de luz se inician cuando los fotones de energía lumínica (luz) estimulan el Fotosistema II, ubicado dentro de la membrana tilacoidal del cloroplasto. Lo anterior provoca la liberación de un electrón, que es transferido a otra molécula (transportador de electrones), la que a su vez lo transfiere a otra, generándose una cadena de transporte de electrones.
Simultáneamente, debido a la estimulación de la clorofila del centro de reacción, ocurre la **fotólisis del agua**, proceso en el que dos moléculas de agua son degradadas dando origen a:
- Una molécula de **oxígeno (O₂)**, que posteriormente puede ser liberada al ambiente.
- Cuatro iones hidrógeno (**H⁺**).
Es importante destacar que el oxígeno que se produce en la fotosíntesis proviene de las moléculas de agua.
La cadena de transporte de electrones se acopla al Fotosistema I. Cuando la molécula de clorofila del Fotosistema I es estimulada por otro fotón, se genera una nueva cadena de transporte de electrones, que finalmente produce una sustancia llamada **NADPH**. Cuando los iones hidrógeno (H⁺) atraviesan la enzima ATP sintetasa, su energía se usa para transformar ADP en **ATP**. El ATP, junto con el NADPH, posteriormente serán usados para sintetizar glucosa.
B. Fase Secundaria o Independiente de Luz (Ciclo de Calvin)
En esta etapa, en la que la energía lumínica no es necesaria, las moléculas de ATP y NADPH, que se sintetizaron en la fase primaria, son utilizadas en las diferentes reacciones químicas que conducen a la formación de glucosa, proceso que ocurre en el **estroma**. En el **Ciclo de Calvin**, a partir de una serie de reacciones químicas sucesivas, se sintetizan moléculas de glucosa a partir de CO₂.
En las reacciones químicas que conforman el Ciclo de Calvin participan diversas enzimas. La más importante de ellas se denomina **ribulosa bifosfato** (**Rubisco**, en forma abreviada), y es la enzima que interviene en la reacción en que se capta CO₂. Esta enzima es la proteína más abundante de los vegetales.
Balance y Productos Finales de la Fotosíntesis
En la fotosíntesis ocurren transformaciones de materia y energía. Desde el punto de vista de la materia, hay una transformación de sustancias simples e inorgánicas, como el dióxido de carbono y el agua, en sustancias orgánicas y de mayor complejidad como la glucosa. Asimismo, la fotólisis del agua permite que se libere oxígeno al ambiente.
Una vez que la planta sintetiza glucosa, esta puede utilizarse de variadas formas. Por ejemplo, la unión de numerosas moléculas de glucosa forma polímeros como el **almidón** y la **celulosa**. El almidón es una molécula de alto valor energético, que se almacena en tejidos de reserva; y la celulosa es un constituyente de las paredes celulares y de diversos tejidos que brindan sostén a la planta.