LABORATORIOS VIRTUALES BIOLOGÍA CELULAR PRESENTACIÓN L aboratorios Virtuales tiene como principal objetivo ser un material de apoyo para la experimentación en la asignatura de Biología en la Enseñanza Media. Pretende, además, contribuir a compensar la amplia carencia en equipamiento e infraestructura de los laboratorios de ciencias de los establecimientos educacionales de nuestro país. Para dar validez a los contenidos del software, se recurrió a los trabajos y experiencia en laboratorios en el campo de la Biología - de académicos e investigadores de universidades chilenas, y a la asesoría de profesores de educación media. Diseñado para el primer año de Enseñanza Media, este programa busca desarrollar conocimientos y habilidades científicas propias de la biología, específicamente en lo que concierne a la célula como unidad funcional de los seres vivos. Se pretende colaborar al mejoramiento del proceso enseñanzaaprendizaje como recurso didáctico interactivo, tanto para estudiantes como para docentes. Incluye 3 documentos adicionales: una guía de trabajo para el estudiante, material con contenidos e imágenes (fotografías y esquemas) para el profesor, y una presentación del software que describe sus distintos ambientes y su modo de utilización. Uno de los aspectos más relevantes y novedosos es la recreación de la metodología del trabajo científico dentro de un laboratorio. Ello apunta al 1
desarrollo de habilidades cognitivas propias de la ciencia, como la observación, planteamiento de hipótesis, mediciones, análisis de resultados y el contraste entre hipótesis y resultados experimentales. El programa está especialmente planteado para apoyar el trabajo de los docentes. Sus temáticas y herramientas se basan en los planes y programas del Ministerio de Educación, lo cual permite su uso en el sector de Biología de enseñanza media. Sin embargo, también puede ser utilizado por quienes desean profundizar en el campo de la experimentación en laboratorio o en sus contenidos. OBJETIVOS CURRICULARES Nivel: Primer año de enseñanza media, NM1. Sector de aprendizaje: Biología OBJETIVOS FUNDAMENTALES: 1. Apreciar los elementos comunes en la organización y estructura de los seres vivos y de la célula como su unidad funcional. 2. Entender el significado de los procesos de la nutrición desde el nivel fisiológico al celular y la función de los sistemas que participan en ellos. 3. Formular hipótesis en temas específicos y entender su relación con los datos experimentales en la investigación científica. 4. Seleccionar y sintetizar información científica de fuentes diversas y elaborar informes razonados y completos de investigación. CONTENIDOS: 1. Estructura y función de organelos y de célula eucarionte (membrana plasmática, núcleo, retículo endoplasmático, ribosoma, peroxisoma, lisosoma, aparato de Golgi, mitocondria, cloroplasto, vacuola, pared celular). 2
2. Relación entre el funcionamiento de ciertos órganos y tejidos y las células especializadas que los componen, es decir, de la célula intestinal, célula secretora, célula muscular, célula epitelial renal y célula sanguínea. 3. Comparación entre células de origen animal y vegetal. 4. Observación y descripción del ciclo vital (interfase y las fases del ciclo mitótico). 5. Exponer los mecanismos de intercambio de sustancias entre la célula y su ambiente (osmosis, difusión, transporte pasivo y activo). 6. Interpretar datos y formular explicaciones, usando los conceptos en estudio. APRENDIZAJES ESPERADOS: Los alumnos y alumnas saben y entienden que: 1. Los seres vivos están compuestos por órganos, los que a su vez están compuestos por células altamente especializadas. La organización y función de las células van a estar directamente relacionadas con la función que cumple un órgano dentro de un ser vivo. 2. En los organismos complejos las células no trabajan aisladamente, sino en grupos que constituyen los tejidos. El cuerpo humano está formado por cuatro tipos básicos de tejidos: conjuntivo, epitelial, muscular y nervioso. El conjunto de estos tejidos da origen a órganos como el riñón, corazón, hígado, epidermis, esquelético, etc. 3. La compleja organización de las células hepáticas permite que el hígado cumpla su función de órgano detoxificador, filtrador y de almacenaje. Es rico en células parenquimales siempre acompañadas de riego sanguíneo, con lo cual la sangre se limpia de elementos tóxicos y obtiene los nutrientes que precisen ser metabolizados o almacenados. 4. La organización estratificada de las células de la piel permite que la dermis sea un órgano asociado a protección, siendo importante también la secreción de sustancias de parte de las glándulas sebáceas. 5. Las células que forman el tejido muscular se ordenan en fibras. Esto causa que el músculo sea un tejido especializado en la contracción, permitiendo que los seres vivos se muevan. Estas células son ricas en mitocondrias, 3
organelos que obtienen la energía para que ocurra la contracción muscular. 6. El cerebro es un órgano complejo que procesa la información sensorial, controla y coordina el movimiento, y además mantiene funciones corporales tales como el latido cardiaco y la temperatura corporal. Está constituido por un entramado de células nerviosas y acompañantes que en conjunto se denominan tejido nervioso. Estas células tienen la tarea de transmitir señales y secretar sustancias útiles para el funcionamiento cerebral. 7. Los vegetales están organizados de forma compleja, y con labores especializadas. Sus tejidos son equiparables a los de los animales, como por ejemplo la dermis o parénquimas y vasculares. Además, poseen estructuras propias que permiten funciones únicas a los vegetales, como el clorénquima (hojas) y el meristema (tejido en crecimiento). 8. La zona foliar de las plantas corresponde a la zona de las hojas (clorénquima), estratificada y especializada en generar fotosíntesis que convierte la energía luminosa en energía química (glucosa). El clorénquima es rico en clorofila. Su pigmento da coloración a las hojas y capta la energía solar (fotones). 9. La zona radicular de los vegetales (raíz) corresponde a un órgano primordialmente subterráneo, y carente de hojas, que se desarrolla en dirección opuesta al crecimiento de la planta externa. Sus funciones principales son la fijación de la planta al suelo y la absorción de agua y sales minerales. 10. Todos los tejidos vivos están sometidos a un continuo recambio y reparación (por lesión o maduración). Esto implica la generación de nuevo material vivo, por tanto las células que componen este tejido deben estar en constante división celular (ciclo celular) para así abastecer las necesidades del tejido. 11. El ciclo celular tiene una serie de pasos continuos y ordenados, altamente regulados, que concluyen con la generación de células hijas que portan el material celular y genético de la madre (progenitor). 12. La mitosis produce dos células hijas idénticas y corresponde a la división celular más citocinesis (división del citoplasma). El material genético se condensa formando cromosomas, que se disponen de manera que cada célula nueva reciba un juego completo de éstos. Por convención, se han 4
establecido cuatro fases en el proceso de la mitosis: profase, metafase, anafase y telofase. 13. Las actividades celulares están directamente relacionadas con la tarea del órgano/tejido al cual pertenecen. Así, el tejido conjuntivo vincula y da soporte a otros tejidos, pero también almacena grasas y forma células sanguíneas y de defensa. Son láminas de tejido epitelial las que revisten las cavidades internas del cuerpo y cubren y protegen su superficie externa. La especialidad del tejido muscular es la contracción, que produce el movimiento de las distintas partes del cuerpo. El tejido nervioso conduce impulsos electroquímicos por medio de los cuales recibe señales del mundo externo e interno y manda mensajes a todo el organismo. 14. La principal función del intestino delgado es la absorción de los nutrientes necesarios para el cuerpo humano. Es la parte del tubo digestivo que nace después del estómago, compuesto mayoritariamente por tejido epitelial. 15. La mayoría de las moléculas digeridas de los alimentos, el agua y los minerales provenientes de la dieta, se absorben a través del intestino delgado. Hay células especializadas que permiten que los materiales absorbidos atraviesen la mucosa y pasen a la sangre. Ésta los distribuye a otras partes del cuerpo para almacenarlos o bien para que pasen por otras modificaciones químicas. En el intestino, las vitaminas, grasas, proteínas y carbohidratos, estos últimos conocidos como azúcares, se digieren en un solo paso. Una enzima de la mucosa del intestino delgado digiere la sacarosa, también llamada azúcar común, y la convierte en glucosa y fructosa, cada una de las cuales puede absorberse en el intestino y pasar a la sangre. 16. Las células epiteliales que revisten el intestino necesitan traer la glucosa aprovechable de la digestión dentro del cuerpo y deben prevenir el flujo inverso de la glucosa del cuerpo a este órgano. Se necesita de un mecanismo que asegure que la glucosa también fluya dentro de las células intestinales y obtener el transporte dentro de la corriente sanguínea, no importando cuál sea la concentración de glucosa en el intestino. 17. Para el ingreso de glucosa a la sangre se utilizan transportadores de membrana. Éstos se componen de proteínas con transporte sodio-glucosa cuya función es ingresar sodio y glucosa desde la luz tubular hacia el interior de las células. La energía para atraer al ion sodio se obtiene del gradiente que forma una bomba sodio-potasio en la membrana basal de la célula. Este proceso permite concentrar glucosa dentro de las células intestinales y luego, por diferencias de concentraciones, la glucosa es llevada a la sangre mediante transporte facilitado. 5
HABILIDADES: Estudiantes mejoran sus habilidades para: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Razonar, inferir y hacer conjeturas sobre la base de conocimientos previos, estableciendo relaciones entre conceptos e interpretando resultados experimentales. Utilizar distintas fuentes de información. Interpretar gráficos, fotografías, dibujos y esquemas funcionales. Manejar conceptos abstractos. Discutir y comunicar observaciones e información. Realizar montajes experimentales sencillos. PÚBLICO OBJETIVO a. Estudiantes de enseñanza media. Es un recurso de experimentación y consulta que estimula y potencia el proceso de integración de lo teórico con lo práctico en el subsector de biología. b. Profesoras y profesores de biología. Es un recurso didáctico de apoyo y consulta en la preparación y realización de sus clases y prácticas de laboratorio. CONTENIDOS Y MEDIOS El texto de apoyo a los docentes aborda los siguientes temas: 1. BIOLOGÍA CELULAR 1.1. Estructura y función de los seres vivos 1.1.1. Órganos 1.1.2. Tejidos 1.2. Estructura y función de la célula 1.2.1.Célula eucarionte, procarionte 1.2.2.Célula animal 1.2.3.Célula vegetal 1.2.4.Organelos celulares 1.2.5.Intercambio celular 1.2.6.Transporte activo/pasivo 1.2.7.Fotosíntesis 6
1.2.8.Células especializadas 1.3. Reproducción celular 1.3.1.Mitosis 1.3.2. Interfase NAVEGACIÓN El laboratorio de se navega desde la entrada al laboratorio a la vista general del laboratorio desde donde se ingresa a cada una de las actividades por separado (Figura 1 A). El laboratorio consta de 4 actividades principales: Células animales ; Célula vegetal y microrganismos ; División celular y Transporte. En todas las pantallas se puede salir del laboratorio y volver a la pantalla de entrada al laboratorio (Figura 1 A). Dentro de cada actividad es posible avanzar a la siguiente etapa o retroceder a la anterior, utilizando las flechas (Figura 1B). Actividades Retroceder a la etapa anterior Volver al inicio Avanzar a la etapa siguiente Salir del programa Figura 1 A Figura 1 B 7
Pizarra Introducción Figura 1 C Cada actividad posee una introducción que explica en forma abreviada el objetivo de la actividad y un plan de trabajo que muestra en un diagrama de flujo (tipo pizarrón) cada una de las etapas a seguir (Figura 1 C). AMBIENTES DEL PROGRAMA En Inicio del programa se accede a la entrada al laboratorio, créditos y al botón de salida para terminar la ejecución del programa (Figura 2 A). Entrada Créditos Salir del programa Figura 2 A 8
En cada una de las actividades del laboratorio de se muestra en el lado izquierdo de la pantalla un texto explicativo del objetivo de la actividad y de los procedimientos necesarios para lograr el objetivo (Figura 2 B). En la parte inferior de la pantalla se muestra un texto breve correspondiente a las instrucciones específicas para realizar cada una de las etapas de la actividad. Instrucciones Texto explicativo Figura 2 B ACTIVIDADES A continuación se presentan las actividades didácticas sugeridas para favorecer el logro de objetivos curriculares con el uso del software. Actividad 1 9
Sector de aprendizaje: Biología Nivel Educativo: Primer año de enseñanza media, NM1. Nombre de la actividad: Célula Animal Tiempo: 2 a 3 horas pedagógicas. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: a. Conocer y comprender la estructura de los órganos y tejidos y relacionarla con la estructura y función celular. b. Conocer y comprender las funciones de órganos y tejidos. c. Conocer y comprender el uso de técnicas histológicas y microscopía. d. Informarse, interpretar y comunicar datos cuantitativos de las observaciones experimentales. CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS Estructura de órganos y tejidos Función celular División celular Transporte de membrana CONTENIDOS CONCEPTUALES Concepto de células, órganos y tejidos. Principios básicos del transporte de membrana y función celular. La división como mecanismo de prolongación de la vida. Principios básicos del uso de tinciones y microscopía. MATERIALES Software Laboratorios Virtuales Computador Guía de trabajo Lápiz y goma. Actividades Los estudiantes forman parejas de trabajo. 10
Ingresan al software Laboratorios Virtuales y exploran la Introducción y Pizarra de la actividad 1 para obtener una visión global del laboratorio. El profesor apoya a los estudiantes, orienta, motiva y aclara dudas. Los estudiantes desarrollan la secuencia correspondiente a la Actividad 1 que incluye los siguientes ejercicios: Módulo De Actividades. Actividad 1: Célula animal Observando células y tejidos animales? El objetivo de la actividad 1 es examinar diferentes tejidos de un animal (conejo) y las células que los componen. Asimismo, apreciar sus semejanzas y diferencias y relacionar estas características con las funciones de los tejidos. Antes de comenzar esta actividad, responde a esta pregunta planteando una hipótesis de trabajo. Cómo podemos determinar la relación entre la estructura y la función de una célula animal? Anota tu respuesta en el cuaderno. Más adelante volveremos sobre ella. Ingresa al laboratorio de. Revisa la Introducción y el Plan de Trabajo (Pizarra), y luego desarrolla la secuencia de actividades de acuerdo a las instrucciones que aparecen en la pantalla. Realiza la siguiente guía de trabajo: De acuerdo a lo observado en la actividad 1: 1. Qué tejidos/órganos usarás en la actividad 1? : a. b. c. d. 2. Dibuja los distintos órganos y tejidos que aparecen en el conejo. 11
3. Por qué se sumergen las muestras de tejido en nitrógeno líquido? 4. Por qué se cortan las muestras en el micrótomo?, Qué sucedería si no se realiza este paso? 5. Investiga si existen otras formas para cortar el tejido y de qué depende la elección de cada una de ellas. 6. Por qué se utilizan tinciones? Cuáles usarás en esta actividad?. Averigua qué tipo de estructura celular tiñe cada una. 12
7. Qué características tiene un microscopio y qué nos permite visualizar estructuras tan pequeñas como las células? 8. Cuáles son los aumentos utilizados en el microscopio?, Qué pasa con el tejido cuando vas cambiando de aumento? 9. Qué ocurre con la Regla de calibración? 10. Dibuja lo que observas en cada aumento para las muestras de: Hígado Piel 13
Cerebro Músculo 11. Qué características son similares en todos los tejidos? 12. Qué diferencias existen entre una muestra de tejido hepático y una de piel? 13. Qué diferencias observas entre las muestras de músculo y cerebro? 14. Averigua la función que realizan estas células en sus respectivos tejidos. 14
SUGERENCIAS PARA EL PROFESOR Para comenzar la actividad pregunte a los estudiantes: Por qué hay diferentes órganos en los animales? Qué funciones cumplen los diferentes órganos? Qué estructuras son responsables de las distintas funciones de los órganos? Qué sabe de las diferencias entre las células? Qué diferencia debiera tener una célula del cerebro con una de la piel? Ponga énfasis en los aspectos estructurales: Cómo y para qué se agrupan las células? Qué cosas tiene una célula? Cuáles son las diferencias entre las células de la piel, cerebro, músculo e hígado?, etc. Estas preguntas permitirán a los estudiantes asociar las diferencias observadas entre la estructura macroscópica y función de los órganos con la estructura microscópica de las células. Se sugiere inducir a los estudiantes a comprender las formas de estudiar las células. Esto puede hacerse mediante un diálogo en que el profesor plantea preguntas y los estudiantes responden con los conocimientos adquiridos en las clases teóricas. Por ejemplo: Qué características podrían tener las células que componen el tejido muscular o de la piel? Cómo deberían ser las células del sistema nervioso? Cuál sería su forma? Se aconseja inducir a los estudiantes a discutir de qué forma sería posible observar las células y qué órganos o tejidos llama su atención, elaborando una hipótesis de trabajo. Recuerde que una hipótesis no es más que una adivinanza educada, lo cual implica que no tiene que ser correcta. Una vez terminada la actividad se recomienda presentar y discutir los resultados y contrastar la conclusión de éstos con la hipótesis planteada al inicio del trabajo. Las células como bloques que estructuran la vida? La célula es una entidad estructural y funcional fundamental de los seres vivos, así como el átomo lo es de las estructuras químicas y físicas. Si se destruye la organización celular, se altera la función. En las últimas décadas, la microscopía electrónica ha permitido obtener conocimientos sobre la estructura de las células y descubrir su organización subcelular. 15
NIVELES DE ORGANIZACIÓN EN BIOLOGÍA CELULAR La biología estudia la jerarquía y la organización que existen en los seres vivos. Los organismos vivos son seres muy complejos, cuya estructura básica es la célula. La asociación de células del mismo tipo o varios tipos forman los diferentes tejidos de que componen un organismo. Por ejemplo, todos los vertebrados están compuestos por un número limitado de tipos celulares (células musculares, epiteliales, nerviosas, etc.), que se encuentran en diferentes proporciones para poder producir una enorme variedad de esos organismos. La mayoría de las reflexiones de esta organización no pueden ser observadas al ojo humano, excepto la anatomía (órganos) de los seres vivos, debido a que éste solo puede resolver o discriminar dos puntos separados en más de 0,1 mm (100 m). La mayoría de las células son mucho más pequeñas y necesitan todo el poder de la resolución del microscopio óptico (0,2 m) para ser estudiadas. La mayor parte de las estructuras celulares son más pequeñas aún y requieren la resolución del microscopio electrónico. Figura 3 16
Figura 3 MÉTODOS DE ESTUDIO DE BIOLOGÍA CELULAR Microscopía El ojo humano puede detectar diferentes longitudes de onda (colores) e intensidades de luz visible directamente a través de instrumentos ópticos, tales como el microscopio. En casi todos los microscopios el material biológico debe ser examinado por transparencia, es decir, la luz debe traspasar los tejidos para formar imágenes. Para ello es necesario estudiar células que están en una fina capa sobre una lámina de vidrio (portaobjetos), o bien hacer finos cortes de tejido lo suficientemente delgados como para ser atravesados por la luz. Las células vivas o desecadas presentan escaso contraste, y por lo mismo no absorben luz, a excepción de aquéllas que poseen pigmentos (vegetales). Un método para contrarrestar esta limitación es emplear colorantes que tiñan selectivamente los distintos componentes celulares. Para esto, los tejidos deben ser fijados, deshidratados y cortados en láminas finas antes de colorearlos. Con la finalidad de preservar la composición química de las células se utiliza el método de congelación y desecación, que consiste en la congelación casi instantánea del tejido. Esta técnica se realiza introduciendo pequeñas piezas del tejido en nitrógeno líquido (o helio líquido), a una temperatura de -160 ºC a -190 C. Corte de los tejidos Para observar los tejidos con el microscopio, deben cortarse en láminas delgadas con instrumentos de corte llamados micrótomos, tratados previamente para darles rigidez. Existen dos métodos principales para endurecer los tejidos: la congelación, utilizada en este laboratorio, y la inclusión o uso de parafina. Métodos de coloración para permitir el contraste 17
La tinción o coloración se utiliza con dos propósitos: el primero es poder observar la estructura y forma de las células; el segundo, obtener información sobre la naturaleza química de las estructuras examinadas. Hematoxilina-eosina: Supone la aplicación de la tinción de hematoxilina, que por ser catiónica o básica, tiñe estructuras ácidas en tonos Azul y Púrpura, por ejemplo los núcleos celulares. También usa eosina, que tiñe componentes básicos en tonos de color rosa, gracias a su naturaleza aniónica o ácida, como el citoplasma. Fucsina ácida: Es un colorante magenta que detecta componentes celulares cargados positivamente. Detecta tejidos musculares con una tinción anaranjada. Tinción de Golgi: Es una técnica que tiñe células del tejido nervioso de forma aleatoria, permitiendo visibilizar por coloración negra y café las dendritas y somas celulares. Con ello se puede ver toda la longitud de las neuronas, estudiar su anatomía y conexiones. Órganos y tejidos Hígado y Tejido hepático: El hígado es un órgano o víscera presente en los vertebrados; y es, a la vez, la glándula más voluminosa y una de las más importantes en cuanto a la actividad metabólica del organismo. Recibe directamente la sangre del intestino y utiliza nutrientes recién absorbidos para cumplir numerosas funciones metabólicas. Asimismo, descompone las grasas para fabricar colesterol y bilis. En él se elaboran muchas de las proteínas y vitaminas del organismo, almacena glucosa (energía) en forma de glucógeno, y actúa sobre numerosas sustancias tóxicas. El tejido hepático es un tipo de parénquima estable, con capacidad de regeneración y respuesta a estímulos externos como lesiones o procesos tumorales. Está formado en su mayoría por hepatocitos o células funcionales y se acompañan de células de kupffer (macrófagos, respuesta inmunológica). El hígado está ampliamente irrigado. Tiene una zona que se conoce como espacio porta, donde están presentes ramas de la arteria hepática, de la vena porta, un capilar linfático y un conductillo biliar. La piel, tejido dérmico: La piel es vital y el mayor órgano del cuerpo humano. Su objetivo primordial es contener y proteger al cuerpo de agresiones externas, como el frío o el calor. También amortigua traumatismos, elimina desechos y agua (sudoración) y combate gérmenes (función inmunológica). Su complejidad se relaciona con los tipos de tejidos en su interior, que incluyen tejido epitelial, conectivo, nervioso y vascular. De acuerdo a la región anatómica 18
donde se encuentre, la piel presentará variaciones tanto en su espesor como en la cantidad de anexos cutáneos. Un ejemplo lo encontramos en el grosor aumentado de la piel en las palmas de las manos y las plantas de los pies. La piel se divide en tres capas: Epidermis: capa externa rica en queratinocitos y melanocitos (dan el color a la piel), contiene los folículos pilosos y las glándulas sebáceas. Dermis: tejido de apoyo de la epidermis, posee fibras elásticas y de colágenos, que le confiere las propiedades de resistencia y elasticidad a la piel. Hipodermis: capa más profunda de la piel compuesta por tejido conjuntivo. En este lugar puede haber capas complementarias de células adiposas en las personas sobrealimentadas. Cerebro, tejido nervioso: El cerebro forma parte del sistema nervioso y está localizado en el encéfalo (zona interna del cráneo) de los vertebrados. La complejidad de este órgano se origina en la cantidad de neuronas, aproximadamente 100.000.000.000, encargadas de transmitir las señales nerviosas a zonas distantes del cerebro y del cuerpo, permitiendo la generación de conductas en forma rápida. El cerebro administra los recursos energéticos del animal, basándose en la economía de la supervivencia. Controla así el comportamiento, mediante la activación de músculos, o producción de químicos, como las hormonas. Todo esto con la finalidad de responder adecuadamente al medio que lo rodea. Además, el cerebro tiene la capacidad de integrar toda la información, generando así un comportamiento sofisticado basado en procesamiento de señales. El tejido nervioso está formado por 2 tipos de células: Neuronas: existen de varias formas y tamaños. Se encargan de recibir y transmitir las señales nerviosas. Glia: células que proporcionan soporte para las funciones vitales de la neurona (sostén, nutrición, defensa, etc.) Músculos, tejido muscular: el cuerpo se mueve por múltiples razones: para relacionarse con otras especies, en reacciones de huida de depredadores, en captura de presas, reconocimiento del territorio, desplazamiento, etc.; y también para el mantenimiento de las funciones vegetativas, la contracción cardíaca, propulsión de la sangre, movimientos respiratorios, peristálticos, etc. Las células musculares que permiten la movilidad son contráctiles y se denominan miocitos. Los componentes estructurales de los músculos, se tienen tres tejidos diferentes: Músculo liso: es un tejido de contracción involuntaria, presente en las paredes de las vísceras y asociado al movimiento peristáltico (digestión), contracción bronquial, funcionamiento de la vejiga, etc. Su contracción es duradera y no 19
consume tanta energía como el músculo estriado. La contracción y relajación se relacionan al sistema nervioso autónomo. Músculo estriado: es un tejido de contracción voluntaria que recibe su nombre debido a la presencia de estriaciones transversales visibles al microscopio. Está formado por células (fibras musculares) de forma cilíndrica, con extremos que mantienen el mismo grosor en toda su extensión y son más largas que el tejido liso. Es el encargado del movimiento corporal y del mantenimiento de la postura (posición corporal). Más aún, los más precisos corresponden a los producidos por los músculos oculares que permiten el movimiento de los ojos. Músculo cardiaco: Es de naturaleza estriada modificada y de control involuntario. Está presente solo y únicamente en el corazón. Hay diferentes tipos especializados de musculatura cardiaca que incluyen los músculos auricular, ventricular y de conducción. Éstos se pueden agrupar en dos partes: Músculos de la contracción muscular (músculo auricular y ventricular) y músculo de la excitación muscular cardiaca (músculo de conducción). Sugerencias para el Estudiante Realizar las actividades en forma secuencial. Resolver la guía de trabajo siguiendo las actividades del laboratorio. Usar los módulos disponibles: Introducción, Pizarra y Animación. Consultar al profesor en caso de dudas. Actividad 2 Sector de aprendizaje: Biología Nivel Educativo: Primer año de enseñanza media, NM1. Nombre de la actividad: Célula vegetal y microrganismos. Tiempo: 2-3 horas pedagógicas. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE a. Conocer y comprender la estructura de los órganos y tejidos 20
vegetales. b. Reconocer funciones celulares vegetales y compararlas con estructuras vegetales. c. Conocer y comprender la estructura de los microorganismos unicelulares. d. Conocer y comparar las estructuras de las células eucariota animal y vegetal, con las de microorganismos unicelulares. e. Informarse, interpretar y comunicar datos cuantitativos de las observaciones experimentales. CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS Célula eucariota Estructura de vegetales Pared celular Radícula CONTENIDOS CONCEPTUALES Concepto de células vegetales y organización de las plantas. Función de la célula vegetal como respiración y nutrición. La microscopía como herramienta de análisis celular. Principios básicos del uso de tinciones y microscopía. MATERIALES Software Laboratorios Virtuales Computador Guía de trabajo Lápiz y goma ACTIVIDADES Los estudiantes forman parejas de trabajo. Ingresan al software Laboratorios Virtuales y exploran la Introducción y Pizarra de la actividad 2 para tener una visión global del laboratorio. El profesor apoya a los estudiantes, orienta, motiva y aclara dudas. Los estudiantes desarrollan la secuencia correspondiente a la Actividad 2, que incluye los siguientes ejercicios: 21
MODULO DE ACTIVIDADES. ACTIVIDAD 2: CÉLULA VEGETAL Y MICRORGANISMOS Cómo son las células vegetales? El objetivo de la actividad 2 es observar diferentes tejidos de una planta y relacionar la estructura celular con la función vegetal y de microrganismos presentes en agua estancada. Antes de comenzar, responde la pregunta planteando una hipótesis de trabajo. Cómo podemos determinar la relación entre la estructura y la función de una célula vegetal y de los microrganismos? Anota tu respuesta en el cuaderno. Más adelante volveremos sobre ella. Durante la actividad 1 analizamos las células animales bajo microscopía mediante el uso de tinciones. Ahora vamos a observar células de origen vegetal y microrganismos, para lo cual debes desarrollar la secuencia del laboratorio actividad 2, de acuerdo a las instrucciones que aparecen en la pantalla. Realiza la siguiente guía de trabajo: De acuerdo a lo observado en la actividad 2: 1. Qué tipo de células observas en la actividad 2 y cuál es el origen de ellas? 2. Por qué las muestras de las hojas no se tiñen? 3. Describe lo que ves en el microscopio cuando tienes una muestra de hoja. Dibuja y anota las estructuras que encuentras. Hojas 22
4. Describe lo que observas en el microscopio cuando tienes una muestra de raíz. Dibuja y anota las estructuras que encuentras. Raíces 5. Cuáles son las diferencias y semejanzas de las células en las hojas y raíz? 6. Averigua cuál es la función de las células de las hojas de un vegetal. 7. Te has fijado que las raíces de las plantas están siempre creciendo? Averigua por qué ocurre esto. 23
8. Las hojas en otoño cambian de color. Sin embargo, al microscopio vemos que las hojas son verdes, fenómeno que ocurre gracias a los cloroplastos. Averigua cuál es la función de éstos y si están asociados al cambio de color en otoño e invierno. 9. Describe lo que observas en el microscopio cuando tienes una muestra de agua estancada. Dibuja y anota las estructuras que encuentras. Microrganismos 10. Qué son los organismos unicelulares? Averigua qué tipos de microorganismos se pueden encontrar en las aguas de los estanques y lagos. 24
11. Compara los resultados obtenidos con las células vegetales y lo observado en la actividad anterior (célula animal). 12. Qué tipo de células te llamaron más la atención? Las animales, vegetales o unicelulares? Por qué? SUGERENCIAS PARA EL PROFESOR Para comenzar la actividad, pregunte a los estudiantes sobre los vegetales y microrganismos: por qué son importantes? qué funciones cumplen? cuáles son las funciones de las células vegetales? cuáles son las funciones de los microrganismos? Ponga énfasis en los aspectos estructurales: cómo y para qué se agrupan las células en los vegetales? existe relación entre estructura y función?, etc. Estas preguntas permitirán a los estudiantes asociar el concepto de células vegetales con el trabajo que se realizará en el laboratorio. Se aconseja inducir a los estudiantes a comprender la forma en que se estudian las células vegetales y microrganismos, mediante un diálogo donde el profesor plantea preguntas y los estudiantes responden utilizando los conocimientos adquiridos en las clases teóricas. Por ejemplo: Qué características podrían tener las células que componen las hojas y las raíces? deberían ser iguales las células de una hoja de margarita con una de maíz? serán todas las formas celulares iguales en una planta? 25
Se recomienda inducir a los alumnos a discutir de qué forma sería posible examinar las células vegetales y comparar si las técnicas de observación de células animales sirven también para células vegetales. Adicionalmente, conocer qué estructuras de las plantas llama su atención, procediendo a elaborar una hipótesis de trabajo. Recuerde que una hipótesis no es más que una adivinanza educada, lo cual implica que no tiene que ser correcta. Una vez terminada la actividad, se propone presentar y discutir los resultados además de contrastar la conclusión de éstos con la hipótesis planteada al inicio del trabajo. CÉLULAS VEGETALES Los diferentes tipos de células vegetales pueden distinguirse por la forma, espesor y constitución de la pared, como también por el contenido de la célula. El ser humano ha tomado ventaja de la diversidad celular: consumimos los almidones y proteínas almacenados en sus tejidos de reserva, usamos los pelos de la semilla del algodón, así como las fibras del tallo del lino para vestirnos; aún cuando las células están muertas, como en el leño, utilizamos esta madera para construcciones y hacer papel. Pared celular Es la característica más importante que diferencia la célula vegetal de la animal. Le confiere su y le da la textura a cada tejido, otorgándole protección y sostén a la planta. Su principal componente estructural es la celulosa. Entre un 20 a un40%, las cadenas de celulosa se agrupan en haces paralelos o microfibrillas de 10 a 25 nm de espesor. Esta estructura es tan sólida como la del concreto reforzado. La hemicelulosa y la pectina contribuyen a unir las microfibrillas de celulosa como una malla o entramado y al ser altamente hidrófilas contribuyen a mantener la hidratación de las paredes jóvenes (ramas y tallos verdes). Entre las sustancias que se incrustan en la pared se encuentra la lignina, molécula compleja que le otorga rigidez. Tejidos Vegetales Después del crecimiento del embrión en la semilla, la formación de nuevas células queda casi enteramente restringida a los meristemas: tejidos permanentemente jóvenes, cuyas células se dividen mitóticamente. Las células originadas por estos meristemas sufrirán un proceso de diferenciación hasta transformarse en distintos tipos celulares. De este modo, los tejidos se diferencian como grupos de células organizadas estructural y funcionalmente. El cuerpo de los vegetales está constituido por dos tipos de tejidos: meristemas o tejidos embrionales (derivados del embrión), y tejidos 26
adultos. Ambos se hallan formados por células iguales o tejidos simples o por agrupaciones de células diversas llamados tejidos complejos. Tejido Meristema Parénquima Colénquima Esclerénquima Epidermis Súber Xilema Floema Función Crecimiento por división celular. De relleno, fotosintético, reserva, etc. Sostén en órganos en crecimiento. Sostén. Protección de partes verdes. Protección de partes adultas. Transporte de agua y sales. Transporte de productos fotosintéticos. Meristemas El meristema podría definirse como la región donde ocurre la mitosis. Pueden estar presentes en los extremos de raíces y tallos. También se los conoce como meristemas apicales, responsables del crecimiento primario de la planta. Los laterales o secundarios aparecen porteriormente, cuando la planta ha completado el crecimiento primario en longitud y desarrolla el crecimiento secundario. Se llaman xilema y floema (vasculatura), y peridermis y se localizan en forma cilíndrica a lo largo de planta. La peridermis se denomina comúnmente corteza. Tejidos adultos Las plantas tienen tres tipos básicos de tejidos: El tejido elemental comprende la parte principal del cuerpo de la planta con tres tipos de células: las parenquimáticas, que son las más abundantes, colenquimáticas y esclerenquimáticas. El tejido epidérmico cubre las superficies externas de las plantas herbáceas. Sus células epidérmicas, fuertemente unidas, secretan una capa formada por cutina y ceras llamada cutícula, que impide la pérdida de agua. El tejido vascular está compuesto por dos tejidos conductores: el xilema y el floema. Ellos transportan nutrientes, agua, hormonas y minerales dentro de la planta. Parénquima Es un tejido simple de poca especialización formado por células vivas en la madurez, que conservan su capacidad de dividirse. Cumplen diversas funciones, de acuerdo a la posición que ocupan en la planta, presentando formas y contenidos celulares acordes. Los más destacados son: 27
Clorofiliano: efectúa la fotosíntesis, en hojas y tallos verdes. El parénquima en empalizada tiene células alargadas, ubicadas bajo del tejido epidérmico de las hojas. El parénquima esponjoso, en cambio, está debajo del parénquima en empalizada, y se especializa, además de la fotosíntesis, en el intercambio gaseoso. Reservante: se preocupa de acumular sustancias de reserva, almidón, lípidos, proteínas. Es común en raíces, bulbos, rizomas, tubérculos y semillas. Aerénquima: parénquima de las plantas acuáticas que presenta grandes espacios intercelulares para acumular aire y permitir la flotación y/o el intercambio gaseoso. El sistema de espacios queda determinado por la forma irregular o estrellada de las células. Colénquima Las células del colénquima establecen el tejido de sostén de plantas jóvenes y herbáceas. Son células vivas en la madurez y poseen paredes primarias más ensanchadas en algunas zonas. Esclerénquima Las células del esclerénquima se caracterizan por tener paredes secundarias engrosadas, secundarias; al igual que las del colénquima, sirven de soporte a la planta. Son células muertas en la madurez, incapaces de dividirse. Epidermis Cubre todo el cuerpo de las plantas. Es el encargado de la protección del cuerpo de la planta, su respiración, pasaje de la luz, reconocimiento de patógenos, etc. Externamente presenta cutícula, que es una capa constituida por cutina y ceras; es delgada en plantas mesofíticas y acuáticas y puede adquirir considerable espesor en las xerófitas, como protección contra la desecación. Emergencias: incluyen tejidos subepidérmicos, originando estructuras de mayor tamaño. Entre ellas se encuentran los aguijones (Rosa) y pelos urticantes (ortiga). Las hojas Las hojas son los órganos verdes de forma laminar que salen del tallo. El color verde que tienen es debido a una sustancia llamada clorofila. Las hojas respiran y transpiran, elaboran la savia, almacenan alimentos y de ellas se extraen sustancias industriales. Son órganos en forma de láminas, de crecimiento definido, que por lo común se expanden desde el tallo en sentido lateral. Su disposición y el funcionamiento de sus células y tejidos les confieren función protagónica en distintos procesos bioquímicos de las plantas (Figura 4). 28
Figura 4 Pueden distinguirse cinco categorías de hojas, según su sucesión en la planta desde la misma base. Ellas son: cotiledones, encerrados en la semilla, que se forman en el embrión; catáfilas, de función protectora de las hojuelas de las yemas; nomófilas u hojas propiamente dichas; hipsófilas o brácteas, que protege la flor o inflorescencia, y antófilas o piezas florales, que intervienen en la reproducción (sépalos, pétalos). Formas y tamaños de las hojas Las hojas pueden ser clasificadas según distintos criterios. La diversidad de sus formas y tamaños se correlaciona con los ambientes en los que viven las plantas, y a los cuales deben adaptarse. Las hojas simples son aquellas en las que de cada pecíolo surge un solo limbo. De acuerdo con la forma del limbo se distinguen varios tipos: el acicular, en que la hoja es lineal y puntiaguda, cuyo ejemplo es la del pino; el acorazonado, como la hoja del tilo; el lanceolado, hoja alargada que termina en forma de punta de lanza, como la del sauce; el lineal, de forma alargada y muy angosta como la de la avena y los cereales en general; el oval, como la del haya silvestre, y muchos otros. La Raíz La raíz es un órgano de las plantas superiores, casi siempre subterráneo, que desempeña varias funciones: absorber y conducir agua y minerales disueltos, acumular nutrientes y fijar la planta al suelo. Se diferencia del tallo por su estructura, por el modo en que se forma y por la falta de apéndices, como yemas y hojas. La primera raíz de la planta, llamada radícula, se alarga cuando la semilla germina y forma la raíz primaria, la cual dependiendo del vegetal puede abortar o continuar su crecimiento 29
(dicotiledóneas). Las raíces que se ramifican a partir de la primaria se llaman secundarias. En muchas plantas, la raíz primaria se llama pivotante, es mucho más grande que las secundarias y alcanza mayor profundidad en el suelo. La remolacha o la zanahoria son ejemplos característicos de plantas con gruesas raíces pivotantes. Algunas especies con raíces de este tipo son difíciles de trasplantar, porque si se rompe la raíz primaria, se pierde casi todo el sistema radicular y la planta muere. Las raíces que brotan de los tallos se llaman adventicias. Estas formaciones pueden verse cerca de la base del tallo del maíz. Cuando brotan de puntos más altos, las raíces adventicias se llaman aéreas, y ayudan a sujetar la planta, como se observa en el banano, el mangle y ciertas orquidáceas. Composición de la raíz El crecimiento longitudinal de la raíz, que es primario, se debe a las divisiones celulares que ocurren en el meristema apical, un tejido que se localiza, como su nombre lo indica, en el ápice de la raíz. Es blanda y está cubierta por una cofia o caliptra que la protege mientras penetra y va horadando el suelo. Por detrás del meristema existe una región de elongación celular, después de la cual se observa una zona de diferenciación. Un corte transversal de la raíz muestra que está formada por tres tipos de tejido: 1) epidermis, o capa superficial; 2) tejido cortical o corteza; y 3) estela o cilindro vascular, situado en el centro. Algunas células de la epidermis se modifican para desempeñar la función de absorción; de ellas parten largas proyecciones tubulares llamadas pelos radiculares que se sujetan a las partículas del suelo. El agua absorbida por los pelos radiculares atraviesa la corteza, zona que almacena agua y nutrientes y pasa por las células de la endodermis. En condiciones normales el crecimiento de la raíz depende sobre todo de la gravedad y de la presencia de agua. La raíz tiende a crecer hacia abajo, salvo que el agua abunde más en la superficie del suelo. Además del crecimiento primario en longitud, concentrado en el ápice de la raíz, se produce un crecimiento secundario, ocambium, que añade xilema o madera en el interior del cilindro radical y floema en el exterior. Éste interviene en la formación de la corteza, que cubre las raíces viejas de la misma forma que los troncos; por ello, las raíces muy antiguas son en muchos casos casi iguales que los troncos más añosos. 30
ACTIVIDAD 3 Sector de aprendizaje: Biología Nivel Educativo: Primer año de enseñanza media, NM1. Nombre de la actividad: División celular Tiempo: 2-3 horas pedagógicas. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE a. Conocer las etapas de la vida celular y ciclo celular. b. Conocer y comprender la división celular como mecanismo de preservación de la vida. c. Conocer y comprender técnicas que permitan visualizar células en etapa de división. d. Informarse, interpretar y comunicar datos cuantitativos de las observaciones experimentales. CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS 31
Estructura celular Ciclo celular División celular Mitosis y sus fases CONTENIDOS CONCEPTUALES Concepto de reproducción celular. Principios básicos de ciclo celular y sus etapas. La división como mecanismo de prolongación de la vida. La mitosis y etapas esenciales para la división celular. MATERIALES Software Laboratorios Virtuales Computador Guía de trabajo Lápiz y goma ACTIVIDADES Los estudiantes forman parejas de trabajo. Ingresan al software Laboratorios Virtuales y exploran la Introducción y Pizarra de la actividad 3 para obtener una visión global del Laboratorio. El profesor apoya a los estudiantes, orienta, motiva y aclara dudas. Los estudiantes desarrollan la secuencia correspondiente a la Actividad 3 que incluye los siguientes ejercicios: MÓDULO DE ACTIVIDADES. ACTIVIDAD 3: DIVISIÓN CELULAR Cómo se reproducen las células? El objetivo de la actividad 3 es observar un tejido que se encuentra en distintas etapas de división celular. Antes de comenzar, responde la pregunta planteando una hipótesis de trabajo. Cómo ocurre la división celular? Qué pasa con las distintas estructuras celulares durante la división celular? 32
Anota tu respuesta en el cuaderno. Más adelante volveremos sobre ella. Ingresa al laboratorio de. Revisa la introducción y el bajo (Pizarra), y luego desarrolla la secuencia del laboratorio de acuerdo a las instrucciones que aparecen en la pantalla. Realiza la siguiente guía de trabajo: De acuerdo a lo observado en la actividad 3: 1. Por qué se utiliza una muestra de raíz de cebolla? Qué otros tejidos se podrían utilizar para observar la división celular? 2. El rojo carmín es un tipo de tinción particular que se usa para observar las células en división celular. De acuerdo a la información anterior, que componente celular tiñe este colorante? 3. Averigua cuáles son las etapas de la división celular y escribe a lo menos 3 características de cada etapa. Etapa Característica 1 Característica 2 Característica 3 4. Dibuja las distintas etapas de división celular que observas en la preparación de raíz de cebolla. Identifica a qué etapa del ciclo celular corresponde cada una. 33
5. De las distintas etapas de la mitosis, cuál es la más importante? Por qué? 6. Describe qué ocurre con el ADN durante la profase y metafase. 7. Describe lo que sucede con el ADN en la anafase y telofase. 8. En qué imagen observas que la membrana de la célula se está dividiendo? Averigua como se llama esta etapa. 9. Dibuja una tabla que incluya la imagen de la etapa observada y las características visibles al microscopio. 34
10. Averigua sobre la división meiótica. En qué se parece a la mitosis? 11. Construye un cuadro comparativo entre mitosis y meiosis incluyendo las características origen celular, tiempo y función dentro de la actividad celular. 12. Sabías que existen células eucariotas que son tan especializadas que no se dividen? Averigua a qué tipo de tejido pertenecen y por qué no se dividen. SUGERENCIAS PARA EL PROFESOR Para comenzar la actividad, pregunte a los estudiantes sobre los ciclos de vida de las células: En qué consiste el ciclo de vida de una célula?, Qué etapas debería tener un ciclo de vida celular? Ponga énfasis en las etapas y las relaciones que ellas tienen: existen etapas que permiten el crecimiento celular? Qué debería ocurrir cuando las células dejan de crecer? En células especializadas, cómo sería su ciclo de vida?, etc. Con estas preguntas los alumnos asociarán el concepto de ciclo celular al trabajo que se realizará en el laboratorio. Se recomienda inducir a los estudiantes a comprender las formas de estudiar el ciclo celular y su importancia. Esto puede hacerse mediante un diálogo en el cual el profesor plantea preguntas y los estudiantes 35
responden utilizando los conocimientos adquiridos en las clases teóricas. Por ejemplo: Es importante a considerar el material genético cuando una célula se va a dividir? Deberían ser iguales las células hijas a la célula madre? Tendrán todas las células la capacidad de dividirse? Se sugiere inducir a los estudiantes discutir de qué forma sería posible ver el ciclo y la división celular y comparar si algunas de las técnicas para observar células animales o células vegetales puede ser útil para este propósito. Con toda la información, los alumnos deben construir una hipótesis de trabajo. Recuerde que una hipótesis no es más que una adivinanza educada, lo cual implica que no tiene que ser correcta. Una vez terminada la actividad se aconseja presentar y discutir los resultados además de contrastar la conclusión de éstos con la hipótesis planteada al inicio del trabajo. El ciclo celular Tal como lo expresa la teoría celular, todas las células se forman a partir de células preexistentes. Dentro de las funciones que realiza la célula eucarionte, dos de las más importantes, la regulación y la reproducción celular involucran al núcleo. El núcleo contiene la mayor parte de los componentes hereditarios de la célula, es decir, los elementos necesarios para el desarrollo y el metabolismo de las especies. Duplicar sus componentes genéticos para transmitirlos a las nuevas generaciones cuando la célula se reproduce. Los procesos que se manifiestan desde la formación de una célula hasta su propia división en dos hijas se denominan ciclo celular. Este ciclo se divide en dos etapas principales: la interfase y la división celular, reflejados en distintos procesos celulares. La interfase se caracteriza por una serie de procedimientos que implican la fabricación activa de moléculas tales como las proteínas y el ADN para la duplicación de material hereditario. Mientras, la división celular consta de la mitosis, en la que ocurren la condensación y separación de los cromosomas, y la citocinesis o división citoplásmica. La mitosis se subdivide según los cambios que presente el núcleo y la morfología que presenten los cromosomas en 4 etapas: profase, metafase, anafase y telofase. Etapas del ciclo celular INTERFASE La interfase es el tiempo en que la célula está ocupada en la actividad metabólica o preparándose para la mitosis. Los cromosomas no se observan 36
fácilmente en el núcleo, aunque una mancha oscura llamada nucléolo, puede ser visible. La célula puede contener un par de centríolos, los cuales son centros de organización para el esqueleto celular. G1: (G por gap: intervalo) en esta fase tienen lugar las actividades de la célula: secreción, conducción, endocitosis, etc. A partir de la citocinesis de la división anterior, la célula hija resulta pequeña. Posee un bajo contenido de ATP (energía) resultante del gasto experimentado en el ciclo precedente, por lo que se produce la acumulación del ATP y el incremento de tamaño celular. Este período puede durar días, meses o años. Las células que no se dividen nuevamente (como las nerviosas o del músculo esquelético), pasan toda su vida en este ciclo, que en estos casos se denomina G0, ya que las células se retiran del ciclo celular. S: fase de síntesis o replicación del ADN. Comienza cuando la célula adquiere el tamaño suficiente y el ATP necesario. Dado que el ADN constituye el material genético de la célula, antes de la mitosis deben generarse dos moléculas idénticas, una para cada una de las células hijas. Durante la interfase, el ADN asociado a las histonas, denominado cromatina, se encuentra desenrollado en largas y delicadas hebras. El ADN es una doble hélice que se abre y cada cadena es usada como molde para la producción de una nueva cadena, que queda unida a la original que sirvió de molde. Por esta razón, la replicación del ADN se denomina Semiconservativa. Estos ADNs nuevos quedan unidos por el centrómero hasta la mitosis, recibiendo el nombre de CROMÁTIDAS HERMANAS. Figura 5 G2: es el tiempo que transcurre entre la duplicación del ADN y el inicio de la mitosis. Dado que el proceso de síntesis consume una gran cantidad de energía, la célula entra nuevamente en un proceso de crecimiento y adquisición de ATP. La energía adquirida durante la fase G2 se utiliza para el proceso de mitosis. Factores ambientales, tales como cambios en la temperatura y el ph o la disminución de los niveles de nutrientes llevan a la baja de la velocidad de división celular. Cuando las células detienen su división, generalmente lo hacen en una fase tardía de la G1, fase denominada punto R (por restricción). 37
MITOSIS Todos los organismos vivos utilizan la división celular, ya sea como mecanismo de reproducción, o como mecanismo de crecimiento del individuo. Lo seres unicelulares utilizan la división celular para la reproducción y perpetuación de la especie. Una célula se divide en dos células hijas genéticamente idénticas entre sí e idénticas a la original, manteniendo el número cromosómico y la identidad genética de la especie. En organismos pluricelulares, la división celular se convierte en un proceso cíclico destinado a la producción de múltiples células, todas idénticas entre sí, pero que posteriormente pueden derivar en una especialización y diferenciación dentro del individuo. Profase: Al comienzo de la profase la cromatina se enrolla lentamente y se condensa adoptando una forma compacta. Cuando los cromosomas condensados se tornan visibles con el microscopio óptico, cada uno consiste en dos réplicas llamadas cromátidas. Las dos cromátidas permanecen unidas por un área estrecha común a ambas, de nombre centrómero. Dentro de esta área estrecha existen unas estructuras discoidales llamadas cinetocoros, que contienen proteínas, donde se insertan las fibras del huso. Entonces en esta fase los cromosomas están agrupados por parejas y se llaman cromosoma homólogo. Cada cromosoma del par está a su vez compuesto por dos cromátidas unidas por el centrómero. La envoltura nuclear se disgrega a medida que los cromosomas se condensan. Al final de la profase, los cromosomas se han condensado por completo y ya no se encuentran separados del citoplasma. Para entonces, los nucléolos por lo general han dejado de ser visibles. Durante la profase los pares de centríolos empiezan a alejarse el uno del otro, y a medida que éstos se separan aparecen entre ambos pares de centríolos las fibras del huso acromático, que son fibras de proteínas dispuestas de polo a polo de la célula. Los cromosomas ya formados se mueven y se unen a una fibra del huso por su centrómero (un cromosoma por fibra), de manera que las cromátidas migran hacia los polos de la célula. Metafase: Al comienzo de la metafase, los pares de cromátidas alcanzan su máxima condensación. Se desplazan en vaivén dentro del huso, probablemente impulsados por las fibras de éste. Primero son atraídos hacia un polo de la célula y después hacia el otro, hasta que, finalmente, se disponen con exactitud en el 38
plano medio de la célula (ecuador de la célula o plano ecuatorial) unidos por el centrómero. Se acomodan de modo tal que las dos placas cinetocóricas en cada centrómero quedan orientadas hacia los polos opuestos de la célula, mirando a los respectivos centrosomas. Esto señala el final de la metafase. Anafase: Al comienzo de la anafase, los centrómeros se separan simultáneamente en sus pares de cromátidas. Las cromátidas de cada par también se distancian y cada una se convierte en un cromosoma aparte. Suelen adoptar la forma de una V, donde los metacéntricos tienen brazos iguales y los submetacéntricos y acrocéntricos los tienen desiguales. Estos últimos al parecer son arrastrados hacia el polo opuesto por las fibras del huso. Los centrómeros inician el movimiento. En la mayoría de las células, el huso en conjunto también se alarga mientras que los polos de la célula se alejan el uno del otro. A medida que la anafase continúa, los dos juegos idénticos de cromosomas recién separados se desplazan cada uno hacia un polo opuesto del huso. Esta etapa es la parte más rápida de la mitosis, donde pierde su forma esférica y adquiere un aspecto ovoide. Telofase: Cuando comienza la telofase, los cromosomas han llegado a los polos opuestos, con la consiguiente desaparición de las fibras cinetocóricas del huso. La célula se ha alargado un poco más, de modo que las fibras polares exhiben una mayor longitud al ser comparadas con la anafase. El huso se dispersa en dímeros de tubulina, subunidades de las proteínas globulares que constituyen los microtúbulos. Al final de la telofase se forman las envolturas nucleares en torno de los dos juegos de cromosomas. Ellos se tornan difusos y ya no tienen aspecto de cromosomas, pues al desenrollarse quedan menos condensados, con lo cual se produce la recapitulación de la profase pero en sentido inverso. En cada núcleo reaparecen los nucléolos. A menudo empieza a formarse un nuevo centríolo junto a cada uno de los anteriores. La replicación de los centríolos continúa durante el resto del ciclo celular, de modo que cada célula tiene dos pares de centríolos en la profase de la división mitótica siguiente. Al tiempo que los cromosomas se convierten en fibras de cromatina, éstas son rodeadas por segmentos del retículo endoplasmático, los cuales se integran hasta formar las envolturas nucleares definitivas (con sus correspondientes poros nucleares), en torno a los dos núcleos hijos. Además, en ambos núcleos, reaparecen los respectivos nucléolos. 39
Citocinesis: Es una etapa de la división celular que consiste en la división del citoplasma. Suele acompañar a la mitosis, división del núcleo, pero no siempre. El proceso visible de la citocinesis suele empezar en la telofase de la mitosis y por lo general divide la célula en dos partes más o menos iguales. Difiere en ciertos aspectos entre células animales y vegetales. En las primeras, durante la telofase, la membrana celular comienza a estrecharse en la zona donde estaba el ecuador del huso. Al principio se forma en la superficie una depresión que poco a poco se va profundizando para convertirse en un surco, hasta que la conexión entre las células hijas queda reducida a un hilo fino que no tarda en romperse. Cerca de estos surcos pueden verse grandes cantidades de microfilamentos de actina. Se cree que intervienen en la constricción, congregándose en la línea media de la membrana de la célula madre, para así separar las dos células hijas. ACTIVIDAD 4 Sector de aprendizaje: Biología Nivel Educativo: Primer año de enseñanza media, NM1. Nombre de la actividad: Transporte Tiempo: 2-3 horas pedagógicas. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE a) Conocer la relación entre la célula y su medio. b) Conocer y comprender los mecanismos de transporte que existen en las membranas celulares. c) Conocer y comprender técnicas para estudiar el transporte de membrana, en específico el transporte a nivel del intestino de los animales superiores. interpretar y comunicar datos cuantitativos de las observaciones experimentales. d) Informarse, 40
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS Funciones celulares Absorción Transporte de membrana Co-transportadores de glucosa CONTENIDOS CONCEPTUALES Concepto de reproducción celular. Principios básicos del ciclo celular y sus etapas. La división como mecanismo de prolongación de la vida. La mitosis y etapas esenciales para la división celular. MATERIALES Software Laboratorios Virtuales Computador Guía de trabajo Lápiz y goma ACTIVIDADES Los estudiantes forman parejas de trabajo. Ingresan al software Laboratorios Virtuales y exploran la Introducción y Pizarra de la actividad 4 para obtener una visión global del laboratorio. El profesor visita cada pareja de estudiante, orienta, motiva y aclara dudas. Los alumnos desarrollan la secuencia correspondiente a la Actividad 4 que incluye los siguientes ejercicios: MÓDULO DE ACTIVIDADES. ACTIVIDAD 4: TRANSPORTE Cómo se transportan los nutrientes y deshechos a través de las membranas celulares? El objetivo de la actividad 4 es realizar un experimento virtual que permita entender cómo ocurre el transporte a través de las células. Para esto se 41
utilizarán células del epitelio intestinal, cuya función es absorber los nutrientes provenientes de la comida que ingerimos. Antes de comenzar esta actividad, responde la pregunta planteando una hipótesis de trabajo. Cómo se mueven los nutrientes y deshechos a través de las membranas de una célula? Anota tu respuesta en el cuaderno. Más adelante volveremos sobre ella. Ingresa al laboratorio de. Revisa la introducción y el plan de trabajo (Pizarra) y luego desarrolla la secuencia de acuerdo a las instrucciones que aparecen en la pantalla. Realiza la siguiente guía de trabajo: De acuerdo a lo observado en la actividad 4: 1.- Cuál es la función del intestino en nuestro organismo? 2.- Averigua qué tipos de transportes existen en las células. 3.- Qué ventaja crees tú que hay al trabajar con un trozo de intestino y observar el transporte de glucosa? 4.- Por qué crees tú que se trabaja con glucosa, qué importancia tiene esta molécula para nuestro organismo? 5.- Cuál es la concentración de glucosa que pusiste en el trozo de intestino? 42
6.- Escribe aquí los valores de absorbancia que obtuviste para cada muestra de glucosa colectada. Tiempo Absorbancia 7.- determina la cantidad de glucosa que hay en cada muestra utilizando la siguiente fórmula: Glucosa = Absorbancia x 238 mg/dl 0,46 8.- Qué pasa con la concentración de glucosa a medida que transcurre el tiempo? Cómo puedes explicar lo que sucede? 9.- Construye un gráfico de concentración de glucosa vs tiempo. Pídele a tu profesor ayuda para poder utilizar programas que te permitan graficar en una planilla Excel. 43
10.- Averigua qué es un transportador de glucosa y descríbelo utilizando un esquema. 11.- Cuál es la función de los transportadores de glucosa, por qué son tan necesarios? SUGERENCIAS PARA EL PROFESOR Para comenzar la actividad, pregunte a los estudiantes sobre la absorción de nutrientes en los animales y en las células: Por qué es necesario absorber nutrientes? Cómo ingresan las sustancias dentro de la célula? Cómo salen los desechos de la célula? Cuál es la función de la membrana plasmática en la regulación de la entrada y salida de nutrientes y deshechos? Ponga énfasis en los tipos de transportes que existen. De ser necesario explique algunos de ellos o bien cómo ingresan iones, agua o moléculas más grandes como vitaminas o azucares, etc. Pida a los alumnos que propongan posibles estrategias para asociar estas sustancias a la célula. Estas preguntas permitirán a los estudiantes ligar el concepto de transporte al trabajo que se realizará en el laboratorio. 44
Se recomienda inducir a los estudiantes la comprensión de los tipos de transporte a través de la membrana y de qué manera se puede estudiar este proceso. Se propone crear un diálogo donde el profesor plantea preguntas y los estudiantes responden utilizando los conocimientos adquiridos en las clases teóricas. Por ejemplo: Si nosotros somos capaces de absorber los alimentos y las células de nuestro cuerpo también, entonces cómo lo hacen? Tienen todas las células la misma capacidad de absorción, o hay células especializadas en ello? Necesitan todas las células los mismos nutrientes y eliminan los mismos desechos? Se sugiere que los alumnos discutan las formas de observar y estudiar el transporte a través de la membrana. Luego, con toda la información, deben elaborar una hipótesis de trabajo. Recuerde que una hipótesis no es más que una adivinanza educada, lo cual implica que no tiene que ser correcta. Una vez terminada la actividad, se aconseja presentar y discutir los resultados además de contrastar la conclusión de éstos con la hipótesis planteada al inicio del trabajo. DIFERENCIACIÓN CELULAR Todos los seres pluricelulares comienzan su existencia siendo una sola célula, llamada cigoto (se reproducen por mitosis). Primeramente son células inmaduras, indiferenciadas, que empiezan a modificar su estructura celular para lograr una actividad fisiológica específica. Cuando los grupos celulares ya se han diferenciado y son capaces de realizar una función específica, forman los tejidos, que son un conjunto de células semejantes que se asocian para cumplir una misma función. Las principales funciones celulares para las cuales encontramos células especializadas en nuestro organismo son: Movimiento ------------------------------Señalización ------------------------------Síntesis de proteínas -------------------Síntesis de hormonas -------------------Transporte -------------------------------Defensa del organismo ----------------Capitación de estímulos ----------------Absorción de nutrientes------------------ Célula o fibra muscular Célula nerviosa o neurona Célula pancreática Células de las glándulas endocrinas Células renales Glóbulos blancos Células sensoriales Células del intestino 45
Mecanismos de transporte Es de vital importancia para la célula poder transportar moléculas hacia afuera y adentro de ella misma. Dada la importancia del transporte a través de la membrana, la célula posee diferentes mecanismos de transporte que se utilizan para diferentes compuestos. Estos mecanismos se encuentran dentro de una de estas tres categorías: difusión simple, difusión facilitada y transporte activo. Difusión Difusión simple significa que la molécula puede pasar directamente a través de la membrana; siempre se produce a favor de un gradiente de concentración. Esto limita la máxima concentración posible en el interior de la célula, o en el exterior si se trata de un producto de desecho. La efectividad está limitada por la velocidad de difusión de la molécula. Por lo tanto, si bien la difusión es un mecanismo de transporte suficientemente efectivo para algunas moléculas (por ejemplo el agua), la célula debe utilizar otras formas de transporte dependiendo del tipo de molécula y de las necesidades específicas para cada una. Difusión facilitada La difusión facilitada se produce a través de proteínas de membrana o canales por donde pasan moléculas cargadas, pues de otra manera no podrían atravesar la membrana. Se difunden libremente dentro y fuera de la célula. Estos canales constituyen el principal mecanismo de transporte de iones pequeños tales como K+, Na+, Cl-. La velocidad del transporte facilitado está limitado por el número de canales disponibles (ver que la curva indica una "saturación"), mientras que la velocidad de difusión depende solo del gradiente de concentración. Transporte activo El transporte activo requiere un gasto de energía para llevar la molécula de un lado al otro de la membrana, ya que es el único que puede acarrear moléculas contra un gradiente de concentración. Al igual que la difusión facilitada, el transporte activo está limitado por el número de proteínas transportadoras presentes. El ejemplo más conocido es la bomba de Na +/K+, que realiza un + + contratransporte, es decir, transporta K al interior de la célula y Na al exterior de la misma, utilizando la energía proveniente de la hidrólisis de ATP. 46
El transporte activo secundario usa la energía para establecer un gradiente por medio de la membrana celular, que luego utiliza para trasladar una molécula de interés contra su gradiente de concentración. Co-Transporte de glucosa El uso de la célula de la difusión facilitada o transporte activo depende de las necesidades específicas de la célula. Por ejemplo, la glucosa es transportada por transporte activo del lumen intestinal a las células epiteliales, pero por difusión lo hace a través de la membrana hacia los glóbulos rojos. Por qué? Hay que considerar la diferencia de concentraciones en las membranas que debe cruzar. Las células epiteliales que revisten el intestino necesitan ingresar la glucosa producida durante la digestión en el lumen intestinal. Además, es necesario prevenir el flujo inverso de salida de la glucosa desde el cuerpo al intestino. Para ello se necesita un mecanismo que asegure que la glucosa pueda llegar al torrente sanguíneo, independientemente de la concentración de glucosa en el intestino. Si esto no sucediera, la concentración de glucosa en los intestinos sería muy alta inmediatamente después de comer dulces u otro alimento rico en azúcar y aumentaría considerablemente en el torrente sanguíneo. Luego de una hora, cuando los intestinos se vacíen, la concentración de glucosa tendería a disminuir considerablemente y su flujo correría en el sentido opuesto, o sea, desde la sangre y los tejidos hacia el intestino. Con esto, las reservas de energía se agotarían en forma de glucosa rápidamente. Como esta situación sería biológicamente un despilfarro y probablemente letal, se activa un mecanismo que involucra la energía adicional del transporte activo. Con ello se asegura el transporte de la glucosa en un solo sentido, desde el lumen intestinal al torrente sanguíneo. Por el contrario, los eritrocitos glóbulos rojos y la mayoría de los tejidos del cuerpo humano, mueven la glucosa por difusión facilitada y no mediante transporte activo. La difusión facilitada tiene sentido en este contexto, debido a que el medio es diferente para los glóbulos rojos y para el intestino. Mientras que el lumen del intestino experimenta una constante fluctuación de la concentración de glucosa, la cual puede ser mayor o menor que la presente en las células intestinales, la concentración en la sangre está cuidadosamente regulada. Se traslada a través de la membrana de los eritrocitos por un uniportador, un tipo de proteína de difusión facilitada. Tan pronto como ingresa a la célula, se convierte en otras sustancias necesarias para la producción de energía de la célula o biosíntesis. Esto indica que la concentración intracelular de glucosa permanece más baja que el nivel de glucosa de 5 mm de la sangre. En esta situación, la difusión por sí sola asegura el constante flujo de glucosa hacia el interior del eritrocito, por lo que sería un desperdicio e innecesario para los eritrocitos el uso de transporte activo para la glucosa. 47
Figura 6 48