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CURSO: BIOLOGÍA MENCIÓN
MATERIAL BM Nº 07
UNIDAD I: LA CÉLULA
LÍMITE CELULAR
INTRODUCCIÓN
La célula se considera como la unidad estructural, funcional y de origen, de los seres vivos. Ellosignifica que tiene la capacidad de intercambiar materia y energía con el medio para que, de estamanera, pueda: reparar, mantener y construir cada parte de ella, además de producir copias de símisma o de reproducirse que le permiten perdurar en el tiempo.Lo anteriormente señalado implica que cada ser vivo podría estar formado, ya sea, por una célula(organismo unicelular) o por un conjunto organizado de ellas (organismo pluricelular).
Toda célula para poder cumplir con estas tareas debe tener al menos:
Límite celular, que determine un medio interno y lo separe del medio externo asegurando,de esta forma, el perfecto funcionamiento celular. Este límite tiene permeabilidad selectiva, esdecir, selecciona lo que entra hacia la célula o lo que sale de ella, debido a las característicasestructurales que dicho límite presenta, esta formada básicamente por fosfolípidos,carbohidratos y proteínas.
Citoplasma, que contiene agua, sales minerales y algunos compuestos orgánicos. En célulasmás especializadas esta compartimentalizado, es decir, posee en el citoplasma estructurasllamadas organelos, tales como: mitocondria, retículo endoplasmático liso (REL), retículoendoplasmático rugoso (RER), aparato de Golgi, lisosoma o vacuola, entre otros.
Material genético, que en las células procariotas se encuentra libre en el citoplasma y, encambio, en las células eucariotas está encerrado en un compartimiento llamado núcleo.Contiene el DNA que participa tanto en la transmisión de la información genética a la próximageneración como en el control metabólico de la célula. La actividad metabólica requiere de laacción enzimática y las enzimas son el producto de la expresión génica.
1. PARED CELULAR
La pared celular se encuentra formando parte del límite celular en organismos clasificados comoEubacterias o simplemente Bacterias, así como también a los representantes del Reino Protista,Fungi y Plantas. Su composición varía en las diferentes especies, en los distintos tejidos de unamisma especie y entre las células de un organismo. Así, por ejemplo, la pared celular en lasbacterias está compuesta de peptidoglucano (mureina), en los protistas de celulosareforzadas por sales de carbonato de calcio y sílice; en las células de los hongos las paredescelulares están constituidas por quitina; y, finalmente, en las células vegetales se encuentrauna pared primaria constituida principalmente por celulosa, hemicelulosa y pectinas y, enalgunos tejidos, se le adiciona una pared secundaria también formada por celulosa,hemicelulosa y pectinas, conteniendo además lignina y suberina. Estos tejidos son, por logeneral, denominados tejidos muertos. Su alta porosidad permite el paso de agua y solutosdisueltos.Además, cabe destacar que la célula vegetal no pierde comunicación con células vecinas, graciasa la presencia de plasmodesmos (o poros de 40 mm de diámetro) que comunican los citoplasmasde un tejido (simplastos).
A pesar de la diversidad de las moléculas constituyentes de las paredes celulares de bacterias yde los reinos protista, fungi y plantas las funciones de la pared son las de otorgar a cada célula laforma típica, resistencia y protección.
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2. MEMBRANA PLASMÁTICA
La membrana plasmática rodea a la célula, definiendo su extensión y mantiene las diferenciasesenciales entre el contenido de la misma y su entorno.Aunque realicen diferentes funciones, todas la membranas biológicas tienen una estructura básicacomún: una finísima capa de moléculas lipídicas y proteicas, que se mantienen unidasfundamentalmente por interacciones no covalentes.Además, las membranas celulares son estructuras dinámicas y fluidas y la mayoría de susmoléculas son capaces de desplazarse en el plano de la membrana.Las moléculas lipídicas están dispuestas en forma de una doble capa continua de unos 5 nm degrosor, siendo el modelo actual de membrana aceptado ampliamente es el de mosaico fluido,propuesto por S. J. Singer y G. L. Nicolson 1972 (Figura 1).
Figura 1. Modelo de membrana actual. Señala que está formada principalmente por tres tipos debiomoléculas orgánicas: lípidos, proteínas y carbohidratos.
Lípidos
Fosfolípidos
Moléculas formadas por dos cadenas de ácidos grasos, enlazadas a dos de los tres carbonos delalcohol glicerol. Estas cadenas determinan la porción hidrofóbica (repelente al agua) no polar delfosfolípido. Unido al tercer carbono del diglicérido, existe un grupo fosfato, con carga negativa yunido a él, un grupo orgánico hidrofílico polar que contiene nitrógeno.
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Colesterol
Se encuentra presente en células animales y tiene por función proporcionar estabilidad mecánicaadicional a la membrana, además de prevenir el congelamiento celular (Figura 2).
El colesterol, debido a su estructura de anillo rígido, es un componente mayoritario e importantede las membranas de las células animales. El colesterol se inserta dentro de la bicapa con sugrupo hidroxilo polar próximo a la cabeza hidrofílica de los fosfolípidos, interactuandocon ellas (Figura 2).
Dependiendo de la temperatura el colesterol tiene efectos diferentes sobre la fluidez de lamembrana. Por ejemplo, a altas temperaturas, el colesterol interfiere en el movimiento de lascadenas de los ácidos grasos de los fosfolípidos, lo que disminuye la fluidez de la parteexterna de la membrana y la permeabilidad a las moléculas pequeñas. En cambio, a bajastemperaturas tiene un efecto opuesto, como interfiere con las interacciones entre las cadenas delos ácidos grasos, el colesterol protege a las membranas de congelarse y mantiene sufluidez.
Algunos procesos de transporte y actividades enzimáticas, por ejemplo, pueden detenerse cuando laviscosidad de la bicapa se incrementa experimentalmente más allá de un nivel umbral. Es por elloque la fluidez es una de las características más importantes de las membranas y depende defactores como: temperatura, la fluidez aumenta al elevarse la temperatura. naturaleza de los lípidos, la presencia de lípidos insaturados y de cadena corta favorecen el
aumento de fluidez. presencia de colesterol, el cual estabiliza las membranas reduciendo su fluidez y
permeabilidad.
Figura 2. Inserción del colesterol en las membranas biológicas de células animales.
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Proteínas
Aunque la estructura básica de las membranas biológicas está determinada por la bicapa lipídica,la mayoría de sus funciones específicas están desempeñadas por las proteínas. Porconsiguiente, la cantidad y el tipo de proteínas de una membrana son muy variadas y cumplendistintas funciones tales como: transportadoras, enzimática, receptores, estructurales, ser fijadorasdel citoesqueleto y formar parte de la matriz extracelular, entre otras (Figura 3).
Figura 3. Proteínas de membrana y sus funciones.
De acuerdo a su ubicación, las proteínas se pueden clasificar en dos tipos: las que atraviesan labicapa de fosfolípidos de lado a lado, denominadas proteínas intrínsecas o integrales y lasubicadas en la superficie, llamadas también proteínas extrínsecas o periféricas.
Carbohidratos
Representados, principalmente, por oligosacáridos, los que por su carácter polar están limitadossolamente a la superficie externa y normalmente asociados con lípidos (constituyendo losglicolípidos) o unidos a proteínas (formando las glicoproteínas), las que en conjunto constituyen elglucocálix, estructura que participa en el reconocimiento celular entre células animales (Figura 1).
Funciones de la membrana plasmática
Constituir el límite fundamental de toda célula. Regular los movimientos de sustancias desde y hacia la célula, manteniendo
la concentración intracelular de moléculas en los niveles adecuados para quese realicen los procesos celulares básicos.
Conducir potenciales de acción electroquímicos (en células excitables, talescomo, las neuronas).
Participar en interacciones directas con la membrana plasmática de célulasvecinas, formando así las uniones intercelulares.
Mantener estable la forma celular con la ayuda de la interacción conestructuras del citoesqueleto y de la matriz extracelular.
Transducir señales hormonales y nerviosas.
Espacioextracelular
EnzimasReceptoras
UniónTransportadoras
Citoplasma
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3. PERMEABILIDAD CELULARLas bicapas lipídicas son altamente impermeables a todas las moléculas cargadas (iones) por muypequeñas que sean. De esta forma, la carga y el elevado grado de hidratación de tales moléculas,les impiden penetrar en la fase hidrocarbonada de la bicapa.A continuación, se presentan los tipos de moléculas que pueden atravesar la bicapa lipídica y lasque se ven imposibilitadas de hacerlo.
Figura 4. Permeabilidad diferencial de la bicapa de fosfolípidos frente a distintas sustancias.
4. TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA
Transporte NO facilitado por proteínas
Difusión: es el desplazamiento neto de moléculas a presión y temperatura constante desde zonasde mayor concentración hacia zonas de menor concentración. Sin gasto de energía(transporte pasivo). Generalmente, así es como se mueven las moléculas en el interior de lacélula y, también, a través de membranas celulares. Las moléculas que pueden atravesarla debenser pequeñas, sin carga y apolares o hidrofóbicas (Ejemplo: gases respiratorios, hormonas lipídicas(como las sexuales), los corticoides y las liposolubles como las tiroideas (T3 y T4)).
Diálisis: es la difusión de un soluto a través de una membrana semipermeable. La sustanciapasa a favor del gradiente de concentración hasta quedar en equilibrio (en la situación deequilibrio sigue pasando soluto de un lado al otro de la membrana, sin haber un cambio netoen las concentraciones). Por ejemplo, en medicina es muy importante la diálisis para retirardesechos desde la sangre de personas con riñones afectados por alguna enfermedad.
Osmosis: corresponde a la difusión de agua (solvente) a través de una membranasemipermeable. Si se tienen dos soluciones con distinta concentración de soluto, el flujo netodel agua se moverá desde la solución con menor concentración de soluto hacia la de mayorconcentración de soluto, hasta que se logre el equilibrio. Una vez alcanzado el equilibriosiempre seguirá pasando agua a un lado y otro, pero no habrá un cambio neto de susconcentraciones.
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Existen dos conceptos importantes que se encuentran asociados a la osmosis y son laosmolaridad y la tonicidad.La osmolaridad de una solución corresponde a su capacidad de retener y captar agua. Ladiferencia de presión osmótica de una solución respecto a la del plasma se denominatonicidad que puede ser: hipotónica, menor que la del medio intracelular; isotónica, igual ala del medio intracelular e hipertónica, mayor a la del medio intracelular (Figura 5 y Tabla 1).La presión osmótica de una solución es una propiedad coligativa, es decir, es inherente al número departículas de soluto de esa solución.
Figura 5. Movimiento de agua por osmosis desde la región B (baja concentración de solutos) a la región A(alta concentración de solutos).
Dos soluciones pueden ser mutuamente isotónicas entre sí, o una relativamente hipertónica y laotra relativamente hipotónica (Tabla 1 y Figura 6).
Baja concentraciónde solutos
Membranasemipermeable
Dirección delmovimiento de agua
Alta concentración desolutos
A
B
Solución Bde glucosa al 3%
Membranasemipermeable
Solución Ade glucosa al 7% Flujo neto de agua
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Tabla 1. Tonicidad y dirección del movimiento del agua.
Concentraciónde soluto
en la solución A
Concentraciónde soluto en la
solución B
Tonicidad Dirección delmovimiento de
agua
Mayor MenorA hipertónica respecto de BB hipotónica respecto de A De B hacia A
MenorMayor B hipertónica respecto de A
A hipotónica respecto de B De A hacia B
Igual Igual A y B son isotónicasNo hay
movimientoneto
Figura 6. Cambios en células animales y vegetales en medios hipertónicos, isotónicos e hipotónicos.
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ACTIVIDAD
Un alumno prepara para un trabajo de laboratorio dos soluciones de sacarosa A y B, de distintaconcentración. Tales soluciones las coloca en un recipiente separadas por una membranasemipermeable solo al agua como muestra la figura.
El alumno termina el trabajo y presenta sus resultados en el siguiente gráfico
Solución Aal 1%
desacarosa
Solución Bal 7%
desacarosa
6
5
Solución Z
Concentraciónde la soluciónde sacarosa
(gr/L4
3
2
1
7
1 2 3 4 5 6tiempo en minutos
Solución X
7
B
A
)
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CONTESTE
a) ¿La solución A aumenta su concentración? Fundamente.
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
b) ¿La solución B aumenta su volumen? Fundamente.
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
c) ¿Cuál solución era hipotónica en relación con la otra, al inicio del trabajo?
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
d) ¿Por qué al término del trabajo la solución A y B son isotónicas?
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
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Transporte facilitado por proteínas
Proteínas de canal
Son estructuras proteicas que forman un conducto en la membrana a través del cual sedesplazan iones a favor del gradiente electroquímico. Este proceso ocurre sin gasto deenergía (transporte pasivo).Los canales pueden estar siempre abiertos o pueden ser regulados por distintos tipos de estímulos,son altamente específicos y no se saturan (Figura 7).
Figura 7. Funcionamiento de una proteína de canal.
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Tabla 2. Concentraciones intracelulares y extracelulares de Na+ y K.+
Proteínas de transporte
Estas proteínas permiten la difusión facilitada y el transporte activo. Además, poseen uno omás sitios de unión específicos para las sustancias que transportarán, se saturan y puedenser bloqueadas.
Difusión facilitada
Es una forma de transporte pasivo (sin gasto de energía) en la cual el soluto es captado ytrasladado por una proteína transportadora o carrier a favor del gradiente químico, físico oeléctrico, experimentando en el proceso un cambio en su conformación (Figura 8).
Figura 8. Difusión facilitada de la glucosa .Se muestra en tres momentos la acción de una proteínacarrier o transportadora destacando su cambio conformacional.
Transporte activo
Se realiza en contra el gradiente de concentración, químico o eléctrico y por ello debenutilizar alguna fuente de energía. Se distinguen dos tipos de transporte activo: primario ysecundario
Transporte activo primario
Las células animales mantienen concentraciones de Na+ y K+ intracelulares que difieren mucho delas concentraciones extracelulares (Tabla 2). Es por ello que la bomba de Na+/K+ ATPasa adquiereuna vital importancia ya que mantiene estas concentraciones de ambos iones tanto en el LIC(líquido intracelular) como en el LEC (líquido extracelular). El transporte que realiza esta bombacorresponde a un transporte activo primario, el cual se realiza directamente acoplado al gastoenergético.
Medio intracelular Medio extracelular
Na+ 10 mmol/L 150 mmol/L
K+ 140 mmol/L 4 mmol/L
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La bomba de Na+/K+ ATPasa acopla el transporte de Na+ hacia el exterior con el transporte de K+
hacia el interior (antiporte) ambos en contra de su gradiente de concentración. El proceso serealiza con consumo de ATP (Figura 9). Esta actividad mantiene el potencial de membrana y haceposible que funcionen procesos de transporte activo secundario.
Figura 9. Transporte activo primario. Un ejemplo corresponde al funcionamiento de la bomba Na+/K+
ATPasa.
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Transporte activo secundario
Muchas moléculas son transportadas en contra del gradiente, aprovechando una situación creadapor un transporte activo primario (Figura 10).El gradiente de concentración de Na+ establecido por transporte activo primario constituye lafuerza motriz para el transporte activo secundario de la glucosa. El movimiento de glucosa a travésde la membrana en contra de su gradiente de concentración está acoplado por una proteína decotransporte al movimiento de Na+ hacia adentro de la célula.
Figura 10. Dos tipos de transportadores de glucosa permiten que las células epitelialesintestinales transfieran glucosa a través de la mucosa intestinal. La glucosa se transportaactivamente hacia el interior de las células mediante simportadores de glucosa impulsados por Na+ localizadosen la superficie apical y egresa de la célula a favor de su gradiente de concentración mediante la acción deuniportadores de glucosa pasivos localizados en las superficies basal y lateral. Ambos tipos detransportadores de glucosa están separados en la membrana plasmática por uniones estrechas.
Concentraciónde glucosa
elevada
Reducida
Reducida
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Intercambio a través de vesículas
En la endocitosis pequeñas porciones de membrana plasmática se invaginan para englobar eintroducir en vesículas sustancias sólidas (fagocitosis) o fluidas (pinocitosis).
En cambio en la exocitosis, las sustancias son descargadas o liberadas fuera de la célula (Figura 12).
Figura 12. Las células pueden realizar los procesos de endocitosis y exocitosis.
Existe una clasificación respecto de los tipos de transporte según sea la cantidad y la direccionalidadde las moléculas que se van a transportar (Figura 11).
Puede ser un mecanismo de transporte uniporte si transporta una sola molécula a favor de gradienteo puede tratarse de cotransporte cuando dos moléculas distintas son transportadas y una de ellasaprovecha el gradiente de concentración de la otra. Si las dos viajan en un mismo sentido tenemos uncotransporte simporte y si lo hacen en sentido contrario antiporte.
Figura 11. Tipos de transporte que es llevado a cabo por las proteínas transportadoras.
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Endocitosis mediada por receptor. Se trata de sustancias que primero deben acoplarse amoléculas receptoras específicas, los receptores se encuentran agrupados en la membrana y estánunidos en la parte citosólica con proteínas clatrinas, o se agrupan después de haberse unido a lasmoléculas que serán transportadas (Figura 13).
1. Muestra los receptores específicos con las moléculas capturadas. Los receptores
están unidos en la parte citosólica a proteínas llamadas clatrinas.
2. Se produce la invaginación de la membrana plasmática y se empieza a formar la
vesícula.
3. La vesícula se desprende.
4. La vesícula endocítica pierde su revestimiento de clatrina y su contenido será
aprovechado por la célula.
Medio exterior
Moléculas declatrina
Proteínareceptoraespecífica
Membranaplasmática
Moléculascapturadas
Figura 13. Captura de moléculas específicas por endocitosis.
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GLOSARIO
Glucocálix: Estructura superficial de la membrana citoplasmática, constituida por oligosacáridosunidos a proteínas o lípidos de la membrana. Tiene funciones antigénica y de reconocimientocelular.
Mosaico fluido: Descripción de la estructura de una membrana la que se representa como unmosaico de varias moléculas de proteínas inmersas en una capa líquida formadas de moléculasfosfolipídicas.
Osmorregulación: Control de la ganancia y pérdida de agua y solutos disueltos en unorganismo.
Proteínas intrínsecas: Proteínas asociadas a la membrana unidas a los componentes lipídicos yque atraviesan la matriz lipídica de la membrana.
Proteínas periféricas: Proteínas libres de la membrana, localizadas en las zonas periféricasinterna y externa de la matriz lipídica de la membrana.
Pseudópodos: (Falsos pies) Prolongaciones citoplasmáticas gruesas hacia el exterior, queadquieren consistencia de gel, deformando así la membrana para capturar partículas (fagocitosis)o desplazarse (movimiento ameboideo).
Transducción: En biología celular, una serie de cambios moleculares que convierten una señal enla superficie de una célula blanco en una respuesta específica dentro de la célula.Transporte activo: Mecanismo que gasta energía (ATP) y que se realiza con la participación detransportadores y/o receptores de membrana en contra de un gradiente de concentración(químico, físico o eléctrico).
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Preguntas de selección múltiple
1. El paso de agua a través de una membrana semipermeable se denomina
A) difusión.B) osmosis.C) fagocitosis.D) pinocitosis.E) transporte activo.
2. Si una célula animal es colocada en una solución hipertónica, se espera que
A) ingrese sales minerales.B) aumente su volumen.C) disminuya su volumen.D) mantenga su volumen.E) pierda sales minerales.
3. El transporte activo y la difusión facilitada tienen en común que
A) necesitan energía.B) permiten el paso del agua.C) intervienen proteínas transportadoras.D) se llevan a cabo a favor del gradiente de concentración.E) se llevan a cabo en contra del gradiente de concentración.
4. El O2 y el CO2 atraviesan la membrana por
A) diálisis.B) osmosis.C) difusión simple.D) proteínas canal.E) difusión facilitada.
5. Alrededor de plantas de cultivo se coloca sal para evitar el ataque de los caracoles. Talmedida se toma porque
I) la sal es tóxica para los caracoles.II) las células del caracol se plasmolisan.
III) los caracoles se deshidratan al impregnarse de sal.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo I y III.
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6. La pared celular de hongos, plantas, protistas y bacterias tienen en común
I) su constitución química.II) dar forma a la célula.
III) otorgar resistencia y protección.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo II y III.
7. Las proteínas le confieren funcionalidad a la membrana, cumpliendo muchas de sus funcionesespecíficas, una de las siguientes no corresponde
A) unión.B) hormonal.C) receptora.D) enzimática.E) transportadora.
8. Si se necesita estudiar el proceso de crenación debería utilizarse una célula
A) de hongo y medio hipertónico.B) animal y un medio hipertónico.C) vegetal y un medio hipertónico.D) bacteriana y un medio isotónico.E) de alga unicelular y medio hipotónico.
9. Las proteínas de canal facilitan el transporte de iones a través de la membrana y secaracterizan por
I) ser saturables.II) ser específicas.
III) transportar moléculas a favor del gradiente.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo I y III.D) Sólo II y III.E) I, II y III.
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10. Respecto a la membrana plasmática es correcto afirmar que
I) es una estructura rígida.II) posee permeabilidad selectiva.
III) transduce señales hormonales y nerviosas.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo II y III.
11. En un vaso precipitado que contiene una solución de glucosa al 10%, se introduce una bolsitaque contiene una solución de glucosa al 2%. La bolsita de un material que se comporta comouna membrana semipermeable solo a la glucosa. Al transcurrir un determinado periodo detiempo usted observaría que la concentración
I) de la bolsita aumentará.II) de la bolsita disminuirá.
III) del vaso disminuirá.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y III.E) Sólo II y III.
12. El siguiente esquema muestra un proceso osmótico en curso, entre dos soluciones A y B. Alrespecto es correcto afirmar que la solución
I) A esta aumentando su concentración.II) B esta aumentando su volumen y diluyéndose.
III) A y B llegaran a ser isotónicas al término del proceso.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) I, II y III.
A BA B
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13. La siguiente tabla muestra las concentraciones de dos iones existentes al interior de la célulay en la sangre, respectivamente. Si se requiere incorporar potasio desde la sangre a la célula,el mecanismo más probable de usar correspondería al de
A) difusión facilitada.B) transporte activo.C) difusión simple.D) endocitosis.E) osmosis.
14. Si usted tiene dos soluciones separadas por una membrana y después de un tiempo noobserva cambios en ellas, entonces podría suponer que
I) los medios son isotónicos.II) la membrana es impermeable.
III) hay diferencia de concentración entre las dos soluciones.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo II y III.
15. Una hoja de lechuga se coloca firme y tersa al sumergirla en agua. La(s) afirmación(es)correcta(s) en base a esta observación es (son)
I) el agua corresponde a un medio hipotónico.II) las células de la hoja de lechuga disminuyen su volumen.
III) el agua ingresa a las células de lechuga produciendo turgencia.
A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo I y III.
Concentraciones iónicas
Iones Interiorde la Célula
Sangre
Sodio 12 mM 145 mMPotasio 140 mM 4 mM
DMON-BM07
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