BIOLOGIA I.VELOSO MODULO2-1°MEDIO

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SUBSECTOR DE APRENDIZAJE: BIOLOGIA MDULO DE APRENDIZAJE N2: INTERACCION CLULA-AMBIENTE NIVEL: 1MEDIO PROFESORA: IVETTE VELOSO ANCO OBJETIVOS GUIA Y/O MODULO DE APRENDIZAJE: Describen mecanismos de intercambio entre la clula y su ambiente en relacin con las caractersticas de la membrana plasmtica segn el modelo de mosaico fluido. Dan ejemplos de procesos fisiolgicos cotidianos en los cuales operan diversos mecanismos de intercambio de sustancias. Explican que la clula requiere intercambiar en permanencia sustancias del medio externo, ya sea para incorporar distintas sustancias necesarias para su funcionamiento y tambin para excretar desechos hacia el exterior, manteniendo estable su medio interno.

LA MEMBRANA CELULAR Cada clula se encuentra rodeada por una membrana plasmtica que la rodea, le da forma y la relaciona con el medio extracelular. Acta como una barrera de permeabilidad que permite a la clula mantener una composicin citoplasmtica distinta del medio extracelular. Contiene enzimas, receptores y antgenos que desempean un papel central en la interaccin de las clulas con otras clulas, as como con las hormonas y otros agentes reguladores presentes en l liquido extracelular. Funciones de la membrana plasmtica Protegen la clula o el orgnulo Regulan el transporte hacia adentro o hacia afuera de la clula u orgnulo Permiten una fijacin selectiva a determinadas entidades qumicas a travs de receptores lo que se traduce finalmente en la transduccin de una seal Permiten el reconocimiento celular Suministran unos puntos de anclaje para filamentos citoesquelticos o componentes de la matriz extracelular lo que permite mantener una forma Permiten la compartimentacin de dominios subcelulares donde pueden tener lugar reacciones enzimticas de una forma estable Regulan la fusin con otras membranas Permiten el paso de ciertas molculas a travs de canales o ciertas junciones Permite la motilidad de algunas clulas u orgnulos Composicin qumica: Del anlisis de membranas aisladas se ha comprobado que estn formadas por lpidos, protenas y en menor proporcin por glcidos. LIPIDOS. Las membranas plasmticas de todas las clulas eucariticas estn formadas por tres tipos de lpidos: fosfolpidos, glucolpidos y esteroles (como el colesterol). Todos tienen naturaleza anfiptica y, por tanto en un medio acuoso se orientan espacialmente formando miscelas esfricas o bicapas lipdicas. Su distribucin en la clula es irregular y asimtrica, pudiendo existir zonas de naturaleza fluida (modelo del mosaico fluido); se ha observado que sus componentes se pueden mover lo que le da la fluidez antes comentada. Los movimientos que se han descrito son los siguientes: De rotacin: supone el giro de la molcula lipdica en torno a su eje mayor. Es muy frecuente y el Figura1. Movimiento de los fosfolpidos responsable, en gran medida, de otros movimientos. De difusin lateral o flexin: Las molculas lipdicas pueden difundirse libremente de manera lateral dentro de la bicapa. Flip-flop: Es el movimiento de un lpido de una monocapa a su paralela gracias a unos enzimas denominados flipasas La fluidez de las molculas que componen las membranas depende de la temperatura, naturaleza de los lpidos y de la presencia de colesterol. Cuando aumenta la temperatura aumenta la fluidez; de la misma forma si los lpidos son insaturados y de cadena corta la membrana es ms fluida. La presencia de colesterol aumenta la rigidez de la membrana. De la fluidez de las membranas dependen importantes funciones, como el transporte, la adhesin celular, reconocimiento de antgenos. Debido a esto, las

Figura 2: Representacin de la membrana plasmtica

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______________________________________________________________________________________ membranas tienen mecanismos de adaptacin homeoviscosa responsable de mantener la fluidez adecuada en cada momento. POTENAS Las protenas (Prt) les confieren a la membrana sus funciones especficas y son caractersticas de cada especie (Fig.2). Pueden tener un movimiento de difusin lateral, contribuyendo a su fluidez. La mayora de ellas tienen estructura globular y se pueden clasificar segn el lugar que ocupen en la membrana: PROTEINAS TRANSMEM-BRANAS O INTRNSECAS y PROTENAS PERIFRICAS O EXTRNSECAS.

Las protenas intrnsecas o integrales representan entre el 50-70% de todas las Prt de membrana. Se encuentran incrustadas en la bicapas lipdicas pueden atravesar la membrana y se pueden observar a ambos lados de la membrana. Las Protena extrnsecas o perifricas no atraviesan la bicapa y se sitan tanto en el exterior como en el interior de la membrana. Se unen a los lpidos de la bicapa mediante enlaces covalentes; se han descrito uniones de estas protenas a las Prt intrnsecas mediante enlaces por puente de hidrgeno. GLCIDOS Los ms abundantes son los oligosacridos unidos mediantes enlaces de tipo covalentes a los dominios extracelulares de las protenas y de los lpidos, formando glucoprotenas y glucolpidos (Fig.2 y 3). Su distribucin es asimtrica y solo se localizan en el exterior de la clulas eucariticas. Constituyen la cubierta celular o glucoclix, que muestra las siguientes propiedades: Protege mecnicamente a las clulas. Se relaciona con las molculas de la matriz extracelular. Les da a algunas clulas la capacidad de poder deslizarse y moverse. Les confiere a las clulas una capacidad antignica (grupos sanguneos) Interviene en fenmenos de reconocimiento celular constituyendo una huella dactilar propia; es imprescindible este reconocimiento en fenmenos de desarrollo embrionario. Contribuye al reconocimiento y fijacin de molculas que posteriormente entraran por pinocitosis o fagocitosis en el interior celular. Estructura de la membrana celular: Modelo del mosaico fluido. Mediante anlisis bioqumicos y observacin por microscopa electrnica, se han elaborado diversos modelos de membranas biolgicas. Actualmente se sigue el modelo de SINGER & NICHOLSON (1972), denominado modelo del mosaico fluido. Este modelo tiene las siguientes caractersticas: Considera a la membrana como un mosaico fluido en el que la bicapa lipdica es el cementante y las protenas estn embebidas en ella, interaccionado unas con otras y con los lpidos, presentando un movimiento lateral. Este movimiento presenta ciertas limitaciones. Las protenas integrales estn dispuestas en mosaico. Figura4: Modelo del Mosaico Fluido Las membranas son estructuras asimtricas en cuanto a la distribucin de todos sus componentes qumicos (lpidos, protenas, glcidos)

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El gradiente de concentracin Tanto el medio intracelular como el extracelular contienen sustancias disueltas en agua, a las que se les llama solutos. El agua que las disuelve se denomina solvente, y al conjunto de solutos disueltos en agua se le llama disolucin. Las molculas de una disolucin estn en constante movimiento, debido a la energa cintica que poseen. Cuando las molculas de una sustancia se Figura5. Movimiento de molculas a favor de su mueven, lo hacen desde donde se gradiente de concentracin encuentran ms concentradas hacia donde estn menos concentradas (Fig.5). Debido a esto, se establece un cambio paulatino en la concentracin de las molculas en el espacio, como si fuera un degrad de colores. Este cambio en la concentracin de una sustancia a lo largo del espacio se denomina gradiente de concentracin. Transporte a travs de la membrana La membrana posee mecanismos para transportar fsicamente molculas, permitiendo que las clulas dejen pasar metabolitos necesarios para la sntesis de macromolculas y libere los productos derivados del catabolismo y sustancias de secrecin. Por lo tanto, se podra decir que se comporta como una barrera semipermeable, permitiendo el paso, mediante diversos mecanismos, de sustancias en contra o a favor de un gradiente de concentracin osmtico o elctrico.

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______________________________________________________________________________________ TRANSPORTE DE SUSTANCIAS DE BAJA MASA MOLECULAR: TRANSPORTE PASIVO: Se hacen a favor de un gradiente de concentracin1; por lo tanto, este transporte no gasta energa. Es un proceso de difusin de sustancias a travs de la membrana. Se produce siempre a favor de un gradiente, es decir, de mayor a menor concentracin. Existen varios tipos de transporte pasivo: Difusin simple, difusin facilitada y osmosis. Difusin simple: En este transporte, el soluto es apolar o hidrofbico como hormonas, ter, cloroformo, frmacos liposolubles, oxgeno y nitrgeno atmosfrico, lo que determina que el desplazamiento ocurra a travs del componente lipdico de la membrana. Las molculas que pueden pasar no tienen carga elctrica. Las denominadas protenas de canal forman canales acuosos a travs de la bicapa lipdica que permite el paso de sustancias cargadas elctricamente a favor de un gradiente de concentracin. Difusin facilitada: Se transportan molculas polares como glcidos, nucletidos, aminocidos, Figura 6: Tipos de transporte pasivo. etc., siempre se produce a favor de un gradiente electroqumico y es efectuada por unas protenas que se denominan protenas transportadoras o carriers. Cuando se unen a la molcula que tienen que transportar, sufren un cambio de conformacin que ayuda a las molculas en su paso por el canal. (http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/memb/uniporte.html, http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/memb/simporte.html, http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/memb/antiporte.html, http://aurorapedreros.files.wordpress.com/2007/12/facilitr2.gif Transporte Activo. Se realiza en contra de gradiente de concentracin o de potencial electroqumico y precisa aporte externo de energa. (http://www.bionova.org.es/animbio/anim/activo1.swf, Transporte activo primario: Utiliza la energa del ATP Bomba de Na+-K+: Transporta sodio al exterior de la clula y potasio al interior en contra de potencial electroqumico. (http://biomodel.uah.es/ biomodelFigura7. Transporte Activo Primario. Bombas de Na/K y Ca misc/anim/memb/atpasa.html ) Bomba de Ca2+: Transporta calcio al exterior de la clula.

Transporte activo secundario, transporte acoplado o cotransporte. Transporta dos o ms molculas, una de las cuales se mueve a favor de gradiente o de potencial electroqumico y la otra u otras en contra. La que se mueve a favor

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______________________________________________________________________________________ de gradiente o de potencial electroqumico suministra la energa para transportar la otra u otras en contra del mismo. Las molculas se pueden transportar en la misma direccin o en direccin contraria. Intercambiador Na+ -Ca2+. En muchas clulas existe un transportador que introduce sodio en la clula a favor de potencial electroqumico y extrae calcio en contra. Cotransporte de Na+-glucosa. En las clulas de la pared del intestino existe un transportador que introduce sodio en la clula a favor del potencial electroqumico, e introduce glucosa en la clula en contra del gradiente de concentracin. (http://biomodel.uah.es/biomodel-misc/anim/memb/tas.html )

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______________________________________________________________________________________ TRANSPORTE DE SUSTANCIAS DE ELEVADA MASA MOLECULAR Existen tres tipos de mecanismos principales: endocitosis, exocitosis y transcitosis. En todos ellos juega un papel fundamental las denominadas vesculas revestidas. A microscopa electrnica se observa que estas vesculas estn revestidas por molculas filamentosas de una protena denominada clatrina.

Figura 9 ENDOCITOSIS: Es un proceso por el que la clula capta partculas del medio externo, lo hace mediante una invaginacin de la membrana en la que queda incluida la partcula a ingerir. Posteriormente se estrangula la invaginacin y la partcula queda encerrada. Dependiendo de la naturaleza y tamao de la partcula englobada se distinguen dos tipos de endocitosis: PINOCITOSIS o endocitosis de fase fluida: consiste en pequeas vesculas rodeadas de clatrina con un dimetro inferior a 150nm (http://www.maph49.galeon.com/memb2/PinoAnA.gif) FAGOCITOSIS o endocitosis de fase slida: Se forman grandes vesculas rodeadas de clatrina denominadas fagosomas, que pueden incluir microorganismos y restos celulares. (http://www.biologia.edu.ar/cel_euca/images/exocitosis.gif ) ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTOR: (http://maph49.galeon.com/ memb2/mediated.html,

Figura 10 http://bioquimicavargas.com/img/anim/lipidosani.gif) Es un proceso por el cual se endocita una sustancia para la cual hay un receptor especfico en la membrana. Una vez que se forma el complejo ligando-receptor, se forma la correspondiente vescula endoctica revestida de clatrina. As se incorporan las molculas de insulina a las clulas.

EXOCITOSIS http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio02.swf Es el proceso por el cual las macromolculas contenidas en vesculas endocticas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmtica, para ser vertidas al medio extracelular (http://www.efn.uncor.edu/dep/biolo gia/intrbiol/exocyt.gif) . Este vertido requiere que la membrana de la vescula y la membrana plasmtica se fusionen generando un poro a travs del cual se libera el contenido de la vescula al exterior. En este

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______________________________________________________________________________________ proceso es necesaria la colaboracin del calcio y protenas como la anexina y la calmodulina. Los restos de la parte interior de la vescula se fusionan con la cara interior de la membrana plasmtica. La parte exterior de la vescula se fusiona con la cara externa de la membrana plasmtica.

OSMOSIS http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2BCH/B2_CELULA/t22_MEMBRANA/animaciones/osm osis.gif El componente principal de la clula es el agua, que acta como solvente (el agente que disuelve) de solutos orgnicos e inorgnicos. El movimiento de agua a travs de una membrana selectivamente permeable se llama osmosis (difusin de agua) y sucede siempre del rea de mayor concentracin de agua (con menor concentracin de soluto) al rea de menor concentracin de agua (con mayor concentracin de soluto) (Figura 11 El agua se mover entonces, a favor de un gradiente de concentracin hacia el rea de mayor concentracin de soluto (donde hay una menor concentracin de molculas de agua libres). Cuando la clula contiene una concentracin de solutos mayor que su ambiente externo, se dice que la clula est en una solucin F i g u r a 11. Osmosis. Difusin de hipotnica, y como consecuencia, el agua entra a molculas de agua. Las molculas de agua la clula causando que se expanda y explote, a pasan de un lugar de mayor concentracin este proceso se denomina hemlisis (Fig. 12a). Si a un lugar con menos concentracin de molculas hasta llegar a un equilibrio la concentracin de solutos es mayor fuera de la clula, se dice que la clula est en una solucin hipertnica; la clula pierde agua y se encoge, proceso de nominado crenacin (Fig. 12c). Si las concentraciones de soluto son iguales en ambos lados de la membrana, se dice que la clula est en una solucin isotnica, donde el movimiento neto es cero (Figura12b). Las clulas animales funcionan ptimamente en ambientes isot-nicos. En las clulas vegetales, sin embargo, cuando la vacuola se llena de agua, sta ejerce presin contra la pared celular hasta llegar a un punto donde se impida que entre ms agua (presin de F i g u r a 12 Osmosis: transporte de agua a travs de una turgencia) y la clula se membrana permeable. La bolsa representa una clula y el agua en el encuentra trgida (firme), envase representa su medioambiente. El soluto es sal (cloruro de lo cual es el estado ideal sodio). (a) La concentracin de sal en el medioambiente es ms baja de estas clulas. Por otra que la concentracin de sal en la clula. (b) La concentracin de sal parte, si la clula vegetal es igual en la clula y en el medioambiente. (c) La concentracin de pierde agua, la clula sal en el medioambiente es ms alta que la concentracin de sal en sufre plasmlisis al la clula. separarse la membra-na celular de la pared celular, lo cual suele ser letal para la clula (Figura 12c).

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F i g u r a 13. Comportamiento de la clula animal y vegetal

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______________________________________________________________________________________ ACTIVIDADES: 1- Realice todas las actividades propuestas en la Unidad 2 del Texto del Estudiante 2- COMPLETA EL SIGUIENTE MAPA CONCEPTUAL CON LOS CONCEPTOS PRESENTADOS A CONTINUACIN: Canales inicos, Transporte activo secundario, Difusin facilitada, Difusin simple, Transporte activo, Osmosis (2 min.).

3- El siguiente grfico representa dos tipos de transporte pasivo: la difusin facilitada y la difusin simple, en el eje de las X se presenta la diferencia de concentracin del soluto que atraviesa la membrana y en el eje Y la velocidad a la cual se mueve. (5 min.)

Velocidad de difusin del soluto

Diferencia de concentracin a travs de la membrana

a. A qu tipo de difusin corresponde la lnea cortada (------)? Fundamenta ___________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________ __________________ b. A qu tipo de difusin corresponde la lnea continua (____)? Fundamenta ___________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________ __________________ 4- De acuerdo a los contenidos entregados por tu profesor, identifica: Qu tipos de transporte indica cada uno de los nmeros del esquema (si es activo o pasivo, difusin simple, difusin facilitada a travs de carriers o canales)? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________

1. 2. 3. 4.

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______________________________________________________________________________________ 5- El siguiente esquema representa a un glbulo rojo en tres soluciones de diferentes concentraciones, indica si es hipertnica, isotnica o hipotnica respecto al glbulo rojo segn corresponda. H2O H2O Caso 1: El agua se mueve hacia dentro y hacia fuera en la misma cantidad Tipo de H2O solucin:_________ Caso 2: El agua se mueve hacia dentro del glbulo Tipo de solucin _______________

H2O

H2O

H2O

H2O Caso 3: El agua se mueve hacia fuera del glbulo Tipo de solucin:_________ H2O H2O

6- Respecto al esquema anterior: Cmo se denomina el fenmeno cuando el glbulo rojo se arruga por la salida de agua? Cmo se denomina cuando se rompe por el exceso de agua? _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ _________________ Cmo se denominan las membranas que permiten el movimiento de algunos solutos a travs de ella? _______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________ 7Sera prudente inyectarse, en forma intravenosa, una alta concentracin de sal en la sangre? Qu consecuencias puedes predecir? _______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ __________________ 89- Los siguientes esquemas representan a una clula vegetal en dos soluciones diferentes. Analzalos y responde las preguntas propuestas (6 min.) A a. Seala en qu solucin se encuentra la clula A y B. A. __________________________________________________________ B. __________________________________________________________ b. Cmo se denomina el fenmeno en la situacin A ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ B c. Cmo se denomina el fenmeno en la situacin B ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ d. Qu funcin cumple la pared celular en el caso A ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________

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10- El siguiente esquema representa el transporte de glucosa (que es un tipo de transporte activo). Seala de cul se trata (primario secundario) y explica detalladamente cmo ocurre

_______________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________ __________________ 11- Completa la tabla en base a tus conocimientos de Biologa. Explica la razn por la qu algunas protenas transportadoras tienen actividad ATPasa. Difusin Difusin Transporte Tipo de transporte simple facilitada activo Naturaleza de la sustancia a transportar Necesita una protena transportadora (SI/NO) Requiere energa (SI/NO) A favor o contra gradiente? El esquema adjunto (a la derecha) corresponde a cierta estructura celular: a- Qu estructura est representada? b- Identifica los componentes enumerados en la figura c.- Indica de qu componente depende la funcin de: 1.- Reconocimiento celular; 2.- Fluidez; 3.- Transporte de pequeas molculas. 12molculas 3

4 1

2

6 5

bicapa lipdica

1

2

3

Gradiente

naturaleza proteica

13- El transporte de ciertas molculas a travs de la membrana celular se esquematiza en el recuadro. a) Cmo se denomina cada uno de los tres tipos indicados como 1, 2 y 3? b) Mediante qu mecanismo pueden atravesar la membrana celular en contra de gradiente las sustancias cargadas elctricamente tales como el sodio o potasio?

a a a a ga rg rg rg rg er En En En En En En En En

14- El esquema de la izquierda representa la composicin de una parte importante de las clulas. a) De qu se trata? b) Haz corresponder los nmeros con los siguientes elementos: fosfolpido, protena integral, polisacrido, protena perifrica, colesterol, glucoprotena, citosol, medio externo, bicapa lipdica, glucolpido 15- Cuando se habla de transporte de molculas a travs de la membrana plasmtica, se suele distinguir entre tres tipos de transporte: difusin, difusin facilitada y transporte activo. A

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______________________________________________________________________________________ continuacin se presentan varios ejemplos de transporte. Indica a cul de estos tres tipos pertenecen, razonando la respuesta.

16- Observa atentamente los esquemas A y B de la figura 1:

I. Con respecto al esquema A: A. A qu tipo de transporte corresponde: pasivo o activo? Explica.

B. Interpreta lo que simboliza la flecha marcada con la letra "W".

C. A qu tipo de molcula biolgica corresponden aquellas indicadas con una "X" y con una "Y"?

II. Con respeto al esquema B: A. A qu tipo de transporte corresponde: pasivo o activo? Explica.

17- En el siguiente esquema (figura 1) observa un recipiente separado por una membrana semipermeable artificial, simulando a la membrana plasmtica, que permite el paso de iones sodio (Na+) y potasio (K+). (Recuerda que los iones son tomos cargados elctricamente).

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______________________________________________________________________________________ Si lees y observas el esquema podrs darte cuenta que las concentraciones para el Na+ y el K+ no son iguales en el medio A y en el medio B. Con respecto a esta figura: A. En qu medio, A o B, se encuentra ms concentrado el Na+? Por qu?

B. En qu medio, A o B, se encuentra ms concentrado el K+? Por qu?

C. El flujo de Na+ ser de A hacia B o de B hacia A? Explica la razn.

D. El flujo de K+ ser de A hacia B o de B hacia A? Explica la razn.

E. Hasta cundo ocurrir este paso de iones Na+ y K+ de un lado a otro de la membrana? Terminar el paso de iones a travs de la membrana en algn momento?

Imagina que el recipiente es una clula y que A es el medio extracelular y B es el medio intracelular: F. Cul de los dos iones entrara a la clula por transporte activo? Por qu?

G. Cul de los dos iones entrara a la clula por transporte pasivo Por qu?

18- En la figura 2, en el primer dibujo, observas dos recipientes comunicados entre s. Uno contiene solucin hipotnica y el otro una solucin hipertnica. Las esferas grises representan un soluto en agua que no pueden pasar a travs de la membrana artificial (por ejemplo las protenas). Por lo tanto, slo puede haber difusin de molculas de agua. Despus de un tiempo puedes observar, en el segundo dibujo, lo que ocurri al finalizar el proceso (ambas soluciones quedan isotnicas). Este fenmeno de difusin de agua se denomina osmosis.

A partir de lo descrito y observado (figura 2) contesta las preguntas siguientes. A. Define: - Solucin isotnica - Solucin hipotnica - Solucin hipertnica

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______________________________________________________________________________________ B. Explica la razn por la cual la osmosis corresponde a una difusin simple?

C. En el segundo dibujo los niveles de agua quedan distintos. Trata de encontrar una explicacin lgica.

D. En el segundo dibujo, se termina el paso de agua de un recipiente a otro?. Explica.

E. Los recipientes son sistemas cerrados hacia el medio ambiente. En cambio, la clula es un sistema abierto al medio ambiente que la rodea, por ejemplo, intercambia nutrientes y desechos metablicos con la sangre. Por qu motivo, en condiciones normales el agua que entra a las clulas no les produce histolisis (rompimiento celular)?

Zona donde hay una variacin contina de concentracin de una determinada sustancia entre dos extremos. Si avanzamos hacia el extremo "ms concentrado" decimos que vamos en contra del gradiente, y lo contrario es ir a favor. Se puede pensar como un tobogn, en el que el extremo concentrado es el que est ms alto, y requiere energa arrastrar un objeto hasta l. Por el contrario, no se requiere energa para ir a favor, hacia "abajo". En la naturaleza hay innumerables ejemplos de gradientes: de salinidad (desembocadura del ro en el mar), de gases en el aire (caso mencionado) y hay ejemplos que no son de concentracin: de temperatura (la aleta de una foca sumergida, desde el tronco hasta la punta; de luz (estrato arbreo hasta el herbceo en los bosques) e incluso de humedad (desde la orilla del ro o el lago hasta un lugar lejano).1