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Respiración, Entorno Interno, Coordinación y Tecnología Génica

Pearson Edexcel · International A-Level · Biology · Tema 5

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5.1

Dentro del cuerpo: energía, equilibrio y control

Correr para alcanzar un autobús hace que tu cuerpo ejecute una sinfonía: los músculos queman glucosa más rápido, el corazón duplica su gasto cardíaco, la ventilación aumenta, comienza la sudoración y los riñones reconfiguran su recuperación de agua — todo controlado sin pensamiento consciente. Esta unidad sigue esa maquinaria: respiración a escala molecular, músculo y corazón a escala tisular, nervios y hormonas como controladores, y biología genética como la ventana moderna hacia ellos.

WBI15 Respiración, Ambiente Interno, Coordinación y Tecnología Genética es la segunda unidad IA2: 1 hora 45 minutos, 90 puntos. Evalúa el Tema 7 (Respiración, Músculos y Ambiente Interno) y el Tema 8 (Coordinación, Respuesta y Tecnología Genética), y una pregunta de 20 puntos se basa en un artículo científico previo: lo habrás estudiado con antelación.

5.1

Respiración: cuatro etapas, un propósito

Syllabus

Temario 7 afirmaciones 7.1-7.8 con Prácticas Centrales 15-16 (espec. pp.35-36). Reacción aeróbica global y respiración como proceso escalonado controlado por enzimas; glucólisis en el citoplasma (fosforilación de hexosas, fosforilación a nivel de sustrato de ATP, NAD reducido, piruvato; lactato en condiciones anaerobias); reacción de enlace y ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial (descarboxilación, ATP, NAD reducido, FAD reducido); fosforilación oxidativa en las crestas - cadena de transporte de electrones bombeando iones hidrógeno al espacio intermembrana y quimiosmosis a través de la ATP sintasa, oxígeno como aceptor final de electrones; metabolismo de lactato tras ejercicio anaeróbico; cociente respiratorio CR = CO2 producido / O2 consumido para carbohidratos (1.0), lípidos (0.7) y proteínas (0.9); Prácticas Centrales 15-16 (respirometros y respiración con indicador artificial hidrocarbonatado).

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

La respiración libera energía en pasos, cada uno catalizado por una enzima específica. El resumen de la respiración aeróbica:

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2} \rightarrow 6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O}\ (+\ \text{ATP})$$
Etapa Dónde Qué sucede Rendimiento neto
Glicólisis citoplasma hexosa fosforilada y luego escindida; se forma piruvato 2 ATP, 2 NAD reducido
Reacción de enlace matriz mitocondrial piruvato oxidado y descarboxilado a acetilo 1 CO₂, 1 NAD reducido por piruvato
Ciclo de Krebs matriz acetilo totalmente oxidado; regeneración de sustratos CO₂, ATP, NAD reducido, FAD reducido
Fosforilación oxidativa crestas cadena de transporte de electrones bombea H⁺; quimiosmosis a través de la ATP sintasa; O₂ es el aceptor final mayor cantidad de ATP

Las condiciones anaeróbicas detienen la cadena — el NAD reducido no puede reciclarse — por lo que el piruvato acepta su hidrógeno y se convierte en lactato en el músculo. Después del ejercicio, el lactato se transporta al hígado y se reconstruye en glucosa (necesitando oxígeno: la deuda de oxígeno).

Cociente respiratorio: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Carbohidrato 1.0, proteína 0.9, lípido ≈ 0.7 — el RQ de un organismo revela qué está quemando.

Izquierda: la tasa de respiración alcanza su máximo cerca de la temperatura óptima de la enzima y colapsa cuando las proteínas se desnaturalizan. Derecha: cociente respiratorio según sustrato.

Ejemplo resuelto. Un respirometro muestra 60 cm³ de CO₂ producidos y 60 cm³ de O₂ consumidos en el mismo intervalo: RQ = 1.0 — carbohidrato. Una semilla germinante con RQ 0.7 está quemando reservas lipídicas.

5.2

Músculos: el filamento deslizante

Syllabus

Afirmaciones 7.9-7.11 (espec. p.36): interacción de músculos, tendones, esqueleto y ligamentos en el movimiento (el músculo tira del hueso a través de una articulación; tendones unen músculo a hueso; ligamentos mantienen huesos juntos); estructura de una fibra muscular esquelética (células multinucleadas fusionadas, miofibrillas de actina y miosina); teoría del filamento deslizante de contracción (iones calcio exponiendo sitios de unión, cabezas de miosina con ATP uniendo y tirando, deslizamiento de actina); fibras de contracción rápida y lenta y su adaptación al trabajo de sprint y resistencia.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Un tendón une el músculo al hueso; un ligamento une hueso con hueso a través de una articulación; los músculos trabajan en pares antagonistas. Una fibra muscular esquelética es una célula fusiforme multinucleada llena de miofibrillas de actina y miosina.

La contracción es el ciclo del filamento deslizante: un potencial de acción libera Ca²⁺; el calcio expone los sitios de unión de la actina; la cabeza energizada de miosina (su ATP se ha scindido) se une, tira de la actina y luego se desprende cuando se une nuevo ATP — miles de cabezas por segundo, cada movimiento de unos pocos nanómetros.

Fibras de contracción rápida: gruesas, pocas mitocondrias, rápidas y potentes, se fatigan pronto (sprints). Fibras de contracción lenta: muchas mitocondrias, rica vascularización, mioglobina — resistencia.

5.3

El propio reloj del corazón y la anulación del bulbo raquídeo

Syllabus

Afirmaciones 7.12-7.13, 7.15 con Práctica Central 17 (espec. p.36): la naturaleza miogénica del músculo cardíaco; cómo la actividad eléctrica del corazón se origina en el nódulo sinoatrial, pasa al nódulo auriculoventricular y a lo largo de las fibras de Purkinje; control de la frecuencia cardíaca y respiratoria por el centro de control cardiovascular y respiratorio en el bulbo raquídeo; gasto cardíaco = volumen sistólico × frecuencia cardíaca y su cálculo; variaciones en la ventilación y el gasto cardíaco durante el ejercicio; la Práctica Central 17 utiliza trazados de espirometría para investigar los efectos del ejercicio sobre el volumen tidal, la frecuencia respiratoria y la ventilación minuto.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

El músculo cardíaco es miogénico: late sin entrada nerviosa. El nodo sinoatrial marca el ritmo; la onda se propaga por las aurículas hacia el nodo auriculoventricular, luego a través de las fibras de Purkinje hasta los ventrículos: las aurículas se contraen primero, los ventrículos una fracción de segundo después.

El centro de control cardiovascular y el centro de ventilación en la médula oblongata ajustan ambos sistemas según la demanda: los receptores químicos detectan CO₂ y pH, los barorreceptores detectan presión.

$$\text{cardiac output} = \text{stroke volume} \times \text{heart rate}$$

Ejercicio resuelto. En reposo: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Durante el ejercicio: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — el dato que prefieren los exámenes. La ventilación aumenta en proporción, leída de trazados de espirómetro (volumen tidal × frecuencia respiratoria = ventilación minuto).

5.4

Homeostasis y retroalimentación

Syllabus

Afirmaciones 7.14, 7.16-7.17 (espec. p.36): homeostasis como mantenimiento del medio interno en equilibrio dinámico; retroalimentación negativa manteniendo variables dentro de límites estrechos (y retroalimentación positiva amplificando el cambio); los roles del sistema nervioso autónomo, la adrenalina en la respuesta de lucha o huida, y el hipotálamo en la termorregulación (vasodilatación, sudoración, escalofríos, vasoconstricción, erección del vello).

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Homeostasis mantiene el medio interno en equilibrio dinámico: no quietud, sino variables oscilando dentro de límites estrechos. La retroalimentación negativa corrige desviaciones en cualquier dirección (patrón del termostato); la retroalimentación positiva las amplifica (una espiral, no un bucle, como en un potencial de acción o fiebre incontrolada).

La termorregulación se regula a través del hipotálamo: pérdida de calor por vasodilatación y sudoración; conservación de calor por vasoconstricción, escalofríos y erección del vello. La adrenalina prepara la respuesta de lucha o huida: frecuencia cardíaca, glucosa sanguínea y vías aéreas responden simultáneamente.

5.5

El riñón: filtra, reabsorbe, ajusta finamente

Syllabus

Afirmaciones 7.18-7.21 (espec. pp.36-37): la estructura macroscópica y microscópica del riñón mamífero (córtex, médula, pelvis; nefrona con glomérulo, cápsula de Bowman, túbulo contorneado proximal, asa de Henle, conducto colector); ultrafiltración (alta presión desde la arteriola aferente, podocitos, membrana basal) y reabsorción selectiva en el TCP (glucosa, aminoácidos, algunos sales y agua); el asa de Henle y el gradiente de potencial hídrico en la médula; ADH de la hipófisis aumentando la permeabilidad al agua del conducto colector; producción de urea en el hígado a partir de exceso de aminoácidos (desaminación, no se requiere el ciclo de ornitina en detalle).

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

La sangre entra al glomérulo del nefrona a alta presión —la arteriola aferente es más ancha que la eferente— y las moléculas pequeñas son forzadas a través de los podocitos y la membrana basal hacia la cápsula de Bowman (ultrafiltración: todo excepto células y proteínas grandes). El túbulo contorsionado proximal reabsorbe toda la glucosa y aminoácidos, además de la mayoría de sales y agua (transporte activo seguido de ósmosis). El asa de Henle establece un gradiente de potencial hídrico descendente en la médula mediante multiplicación en contracorriente. El túbulo colector toma la decisión final: la ADH de la hipófisis inserta acuaporinas para reabsorber más agua: orina concentrada cuando hay deshidratación, diluida cuando no.

El potencial hídrico del filtrado cae abruptamente a través del asa de Henle; la permeabilidad del túbulo colector —determinada por ADH— decide la concentración final de la orina.

Los aminoácidos en exceso son desaminados en el hígado; el amoníaco tóxico se convierte en urea para su excreción.

Ejercicio resuelto. Presencia de ADH → paredes del túbulo colector permeables → agua sale a favor del gradiente hacia la sangre medular → volumen pequeño, orina concentrada. El alcohol suprime la ADH: volumen grande, orina diluida.

5.6

Cambio de genes: factores de transcripción y epigenética

Syllabus

Afirmación 7.22 (espec. p.37): cómo los genes se encienden y apagan mediante factores de transcripción que se unen al ADN (incluyendo hormonas esteroideas que entran en las células para actuar como factores de transcripción); epigenética: metilación del ADN y modificación de histonas que apagan genes y sus consecuencias (ej. silenciamiento de supresores tumorales, imprinting de Prader-Willi); el operón lac como modelo de regulación génica cuando corresponda.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Un factor de transcripción se une al promotor de un gen y activa o silencia la transcripción. Las hormonas esteroideas difunden a través de la membrana y actúan directamente como factores de transcripción: un mismo gen puede servir a varios tejidos. La epigenética silencia genes sin cambiar la secuencia de bases: metilación del ADN y modificación de histonas (acetilación) compactan el ADN fuera del alcance de la maquinaria de transcripción. Los fallos son importantes: un gen supresor de tumores metilado no puede detener la división celular; errores en el imprinting explican el síndrome de Prader–Willi.

5.7 5.8

Impulsos nerviosos y sinapsis

Syllabus

Afirmaciones 8.1-8.7 (espec. pp.37-38): la estructura de neuronas sensoriales, de relevo y motoras; el potencial de reposo mantenido por la bomba sodio-potasio; cómo surge un potencial de acción (despolarización, umbral todo-o-nada, repolarización, periodo refractario); conducción a lo largo de axones no mielínicos y conducción saltatoria en axones mielínicos; estructura y función de las sinapsis (liberación de neurotransmisores, unión a receptores, unidireccionalidad); cómo los fármacos influyen en los impulsos nerviosos en las sinapsis (agonistas, inhibidores, bloqueo de recaptación de ISRS).

Afirmaciones 8.8-8.10 (espec. p.38): la organización del sistema nervioso mamífero (SNC = cerebro y médula espinal; SNP, dividido en somático y autónomo, simpático y parasimpático); cómo los receptores detectan estímulos (células fotorreceptoras y conos en la retina, fotorreceptores, termorreceptores, quimiorreceptores, barorreceptores, propioceptores, nociceptores); el arco reflejo espinal (sustancia gris y blanca) y su vía de tres neuronas; habituación como disminución de la respuesta a un estímulo repetido.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

La neurona en reposo bombea Na⁺ hacia afuera y K⁺ hacia adentro (la bomba sodio-potasio), manteniendo el interior a aproximadamente −70 mV. Un estímulo que supera el umbral (aproximadamente −55 mV) abre canales de sodio: un potencial de acción todo-o-nada asciende hasta +30 mV, luego los canales de potasio repolarizan; el período refractario impide el viaje inverso y fija una frecuencia máxima.

Potencial de acción: despolarización por entrada de sodio, repolarización por salida de potasio, seguido del período refractario.

En neuronas mielinizadas el impulso salta de nodo en nodo (conducción saltatoria): mucho más rápido. En la sinapsis, la entrada de calcio desencadena vesículas de neurotransmisores que se fusionan con la membrana presináptica; el neurotransmisor difunde y se une a receptores postsinápticos; enzimas eliminan luego el espacio. Los fármacos actúan aquí: los ISRS bloquean la recaptación de serotonina, prolongando la señal; la lidocaína bloquea canales de sodio; la éxtasis (MDMA) inunda la hendidura con serotonina y luego la agota.

El sistema nervioso se divide: SNC (cerebro, médula espinal) y SNE — somático (voluntario) y autónomo (involuntario; simpático acelera, parasimpático calma). Los receptores son transductores: bastones (luz tenue, muchos por célula bipolar —sensibilidad), conos (color, uno-a-uno —agudeza), además de termorreceptores, quimiorreceptores, barorreceptores y nociceptores (dolor). El arco reflejo espinal transmite sensorial → relé → motora en la sustancia gris de la médula: rápido, involuntario, protector. La habitualización es una respuesta decreciente ante un estímulo repetido e inocuo.

5.9

Plantas: interruptores de luz y crecimiento

Syllabus

Afirmaciones 8.11-8.12 con Práctica Central 18 (espec. p.38): cómo el fitocromo (Pr absorbiendo luz roja y Pfr absorbiendo luz infrarroja lejana) controla la floración y la germinación; auxinas (IAA) y giberelinas en el crecimiento y germinación (elongación celular, inducción enzimática en la capa aleurónica); investigación práctica de respuestas vegetales con la Práctica Central 18 y la práctica adicional recomendada sobre habituación.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Fitoromo alterna entre Pr (absorbe rojo) y Pfr (absorbe infrarrojo lejano); el sesgo rojo de la luz solar deja dominante al Pfr, controlando la germinación y floración por duración del día. La auxina alarga células acidificando paredes; las giberelinas inducen enzimas (amilasa en la capa aleurónica) que movilizan almidón en la germinación.

5.10

El cerebro y su química

Syllabus

Afirmaciones 8.13-8.16 (espec. pp.38-39): coordinación a través de sistemas nervioso y hormonal; ubicación y funciones de hemisferios cerebrales, hipotálamo, hipófisis, cerebelo y bulbo raquídeo; formación e usos de imágenes de resonancia magnética, RMF, TC y PET; desequilibrios en neurotransmisores (dopamina en Parkinson, serotonina en depresión) y cómo el conocimiento de la química cerebral fundamenta tratamientos farmacológicos (L-Dopa cruzando la barrera hematoencefálica).

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

Puntos de referencia y funciones: hemisferios cerebrales (voluntarios, pensamiento), cerebelo (coordinación, equilibrio), hipotálamo y hipófisis debajo de ellos (homeostasis, hormonas), bulbo raquídeo (corazón, respiración). La RMN muestra la estructura; la fRMN muestra actividad mediante el flujo de sangre oxigenada; la TC realiza escáneres estructurales rápidos; la PET mide el metabolismo con trazadores radiactivos.

Primero la química: la enfermedad de Parkinson es un déficit de dopamina — se trata con L-Dopa, que atraviesa la barrera hematoencefálica y se convierte en dopamina en el cerebro. Los niveles bajos de serotonina se asocian a la depresión — objetivo de los ISRS.

5.11 5.12

Tecnología génica

Syllabus

Afirmaciones 8.17-8.19 (espec. p.39): producción de fármacos usando organismos genéticamente modificados (insulina de bacterias, proteínas humanas de animales GM); producción de ADN recombinante - enzimas de restricción cortando en sitios de reconocimiento con extremidades pegajosas, ligasa de ADN uniendo, vectores plasmídicos con genes marcadores; transformación de células huésped (choque térmico, electropermeabilización); selección de genes marcadores.

Afirmaciones 8.20-8.21 (espec. p.39): microarrays para identificar genes activos (hibridación de ARNm); el término bioinformática y su uso en comparar secuencias de ADN entre especies e individuos; riesgos y beneficios de organismos transgénicos en agricultura y medicina; aplicaciones como hormona de crecimiento humana recombinante y cebras fluorescentes.

Fuente: Plan de estudios Cambridge International

ADN recombinante: una enzima de restricción corta el ADN en su secuencia de reconocimiento, dejando extremos cohesivos; el gen humano (obtenido sin intrones a partir de ARNm) se inserta en un plásmido con ligasa de ADN; el plásmido transforma bacterias huésped; los genes marcadores (resistencia a antibióticos o fluorescencia) seleccionan las células que lo han absorbido. Se escala en un fermentador y las bacterias secretan insulina humana — más limpia y segura que extraerla de cerdos. Los animales transgénicos producen proteínas humanas en la leche; los riesgos y beneficios de los cultivos GM (resistencia, rendimientos frente al flujo génico a parientes silvestres) son la evaluación estándar.

Microarrays identifican genes activos: la muestra de ARNm hibridiza con sondas complementarias en el chip; los puntos que fluorescen marcan los genes que están siendo transcritos. La bioinformática compara secuencias entre especies e individuos — cómo se mide ahora la relación filogenética.

5.11 5.12

Compruébalo tú mismo

  1. Nombra la etapa de la respiración que ocurre en la matriz mitocondrial y uno de sus insumos.
  2. Los músculos de un corredor producen lactato. Explica por qué, y qué sucede después con el lactato.
  3. Las cabezas de miosina no pueden despegarse sin ATP. Explica qué significa esto para los músculos tras la muerte.
  4. Calcula el gasto cardíaco para un volumen sistólico 85 cm³ y frecuencia cardíaca 140 min⁻¹.
  5. Explica por qué la arteriola aferente es más ancha que la arteriola eferente.
  6. Enuncia dos diferencias entre retroalimentación negativa y positiva, con un ejemplo de cada una.
  7. ¿Por qué la mielización aumenta la velocidad de conducción?
  8. El umbral de un axón es −55 mV. Un estímulo lo lleva a −60 mV. ¿Qué sucede y por qué?
  9. La luz roja convierte la fitocromo en qué forma?
  10. Explica por qué se administra L-Dopa en lugar de dopamina directamente.
  11. Un punto de microarray fluoresce intensamente. ¿Qué indica eso?
  12. ¿Por qué el gen de insulina humana debe sintetizarse a partir de ARNm y no de ADN genómico al insertarlo en bacterias?

Respuestas: 1 la reacción de enlace (o ciclo de Krebs) —entrada piruvato (o acetilo); 2 falta de oxígeno por lo que el NAD reducido se recicla reduciendo el piruvato a lactato; después el lactato va al hígado y se convierte de nuevo en glucosa, usando oxígeno; 3 sin ATP la miosina permanece unida a la actina —rigor mortis; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 la diferencia de presión impulsa la ultrafiltración del plasma hacia la cápsula de Bowman; 6 retroalimentación negativa devuelve una variable hacia su punto fijo (termorregulación); positiva la empuja más lejos (fiebre ascendente); 7 el impulso salta entre los nodos de Ranvier en lugar de despolarizar toda la membrana —pasos menos, pero más grandes; 8 nada —no se alcanza el umbral, por lo que no hay potencial de acción (todo o nada); 9 Pfr; 10 la dopamina no cruza la barrera hematoencefálica pero la L-Dopa sí, y se convierte en dopamina dentro del cerebro; 11 ese gen estaba siendo transcrito activamente —su ARNm estaba presente e hibridado; 12 las bacterias no pueden empalmar intrones, por lo que el gen debe provenir de ARNm maduro que ya carece de ellos.

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