Anatomia, fisiología e higiene Paltán - Maya Educación by Maya Educación

Paltán

Anatomía, Fisiología e Higiene

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Anatomía,

Fisiología e Higiene Matriz Quito: Av. 6 de Diciembre N52-84 y José Barreiro, sector Kennedy Telfs.: (02) 281 3112 | 281 3136 Cel.: 099 453 4929 | 099 358 6637 E-mail: info@mayaeducacion.com promocion@mayaeducacion.com

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ANAT

Esta obra fue concebida y producida por el equipo pedagógico de la Editorial. Dirección general: Patricio Bustos Peñaherrera Editor general: Juan Páez Salcedo Autoría: José David Paltán Camacho, Luz Paltán Mangurian, José David Paltán Ortiz Corrección de estilo: Sandra Guerra Coordinación editorial: Soledad Martínez Rojas Diseño gráfico: Javier Cañas Benavides Diagramación: Javier Cañas Benavides Posproducción: Santiago Carvajal Sulca Ilustración y digitalización: Jonathan Barragán B., Karina Núñez S., Javier Tufiño Fotografía: Photodisc, Javier Cañas, Daniel Aramayo La mayor parte de ilustraciones de este texto han sido adaptadas y editadas del Atlas de Anatomía Humana de Sinelnikov, Editorial MIR, Moscú, 1986. © MAYA EDICIONES C. LTDA., 2020 Av. 6 de Diciembre N52-84 y José Barreiro Teléfono: 02 510 2447 mayaediciones@gmail.com www.mayaediciones.com Quito, Ecuador ISBN: 978-9978-95-030-2 Impreso por Ediecuatorial – Quito, Ecuador Este libro no podrá ser reproducido total o parcialmente por ningún medio electrónico, mecánico, fotocopia o cualquier otro método de reproducción sin previa autorización de la Editorial.

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Paltán

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Presentación

La Anatomía, Fisiología e Higiene es un referente en las publicaciones de su género en el Ecuador. No hay ecuatoriano o ecuatoriana que no haya estudiado en estos libros o tenido alguna noticia directa o indirecta sobre este clásico que, con mucho orgullo, ofrece en esta oportunidad la Editorial. Varias generaciones de estudiantes, hoy profesionales, aprendieron a descubrir en este libro de texto el fascinante mundo de la teoría anatómica, sus complejas estructuras y el manejo diario de una realidad que abría muchas posibilidades para explicar, por sí mismos, los conocimientos sobre el ser humano. La clave fue —según el mismo autor— “observar los fenómenos que a diario se presentan en la naturaleza, que nos demuestra la armonía perfecta existente entre los seres que la integran”. José David Paltán Camacho M.D., un científico del siglo XX, es un ecuatoriano ilustre, médico, investigador, catedrático y escritor, que lució sus talentos dede 1950 y aún antes, con empeño y sacrificio para “formar la personalidad cultural (de los estudiantes), en las diversas vías de la especulación científica, pero antes de ello, cimentar su conocimiento en la propia apreciación de su valor”. La Anatomía, Fisiología e Higiene ha sido un éxito editorial, académico, cultural y social porque a través de sus principios y metodología, el autor imprimió no solo el rigor y la actualidad científicas, sino la flexibilidad y la didáctica —alejadas de tecnicismos que complican la comprensión de los fenómenos—, y que tiene como objetivo central “la introducción al estudio de la parte más hermosa del conocimiento humano con sencillez, objetividad, claridad y sin prejuicios”. El autor desecha, por consiguiente, el concepto anatómico tradicional, de la “estructura muerta”, para sustituirlo por “la comprensión armónica y total de la forma en movimiento, y de ahí aprovechar todo aquello que permita mantener el equilibrio perfecto de la estructura superior, a fin de asegurar la estabilidad personal, tanto en el aspecto físico como intelectual”. Desde la primera edición hasta la última, que tiene usted en su poder, la Anatomía, Fisiología e Higiene ha “formado y formará a la nueva juventud, que está llamada a superarse sobre bases de ética y responsabilidad en el cumplimiento de su función social”, según las palabras del autor. Estos principios y orientaciones retratan la personalidad del autor, y sirven, a comienzos del siglo XXI, como guía para fomentar el estudio y la investigación de la salud, con miras a conducir la humanidad hacia el goce de un equilibrio físico, mental y social. Al trabajo científico del doctor José David Paltán Camacho M.D., se han unido los refuerzos y los aportes de sus hijos, los doctores Luz Paltán Mangurian Ph.D. y José David Paltán Ortiz Ph.D., investigadores y continuadores de un proyecto científico y social que ha recibido innumerables reconocimientos, entre los que destacan la condecoración Eugenio Espejo, del I. Concejo del Distrito Metropolitano de Quito. El texto de Anatomía, Fisiología e Higiene es un texto oficial por haber ganado, con sobra de méritos, un concurso nacional promovido por el Ministerio de Educación y el Servicio Cooperativo Interamericano de Educación. La Editorial

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Índice Capítulo 1

Concepto general de Biología 7

Definición 8 • Clasificación 8 • Cuestionario 1 • La célula 10 • Cuestionario 2 • La citoquímica 12 • Cuestionario 3 • Biología molecular 13 • Estructura y función 14 • Cuestionario 4 • Nuestra herencia genética y desarrollo embrionario 15 • Proyecto de genoma humano 18 • Mapa de herencia genética 19 • Clonación 20 • Secuencia completa del genoma humano 20 • Cuestionario 5 • Resumen 22 • Evaluación 23

Capítulo 2

División del cuerpo humano en aparatos 25

Regiones del organismo 28 • Resumen 29 • Evaluación 30

Capítulo 3

Osteología 31

Tejido conjuntivo 32 • Tejido adiposo 32 • Tejido cartilaginoso 33 • Tejido óseo 33 • Cuestionario 1 • Clasificación y conformación de los huesos 35 • Dirección de los huesos 35 • Eminencias de los huesos 36 • Cavidades de los huesos 36 • Formación y crecimiento de los huesos 36 • Cuestionario 2 • Huesos del esqueleto 38 • Huesos del tronco 39 • Cuestionario 3 • Huesos de la cabeza 42 • Cuestionario 4 • Huesos de las extremidades 46 • Papel de los huesos 50 • Cuestionario 5 • Trastornos del sistema óseo 52 • Higuiene del esqueleto 53 • Cuestionario 6 • Resumen 54 • Evaluación 56

Capítulo 4

Artrología 59

Generalidades 60 • Clasificación de las articulaciones 60 • Papel de las articulaciones 61 • Alteraciones articulares 62 • Resumen 63 • Evaluación 64

Capítulo 5

Miología 65

Generalidades 66 • Tejido muscular 66 • Cuestionario 1 • Principales grupos musculares del organismo 67 • Cuestionario 2 • Propiedades fisiológicas de los músculos 71 • Fenómenos de la con-

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tracción 72 • Fatiga y atrofia musculares 73 • Acción muscular sobre el esqueleto 74 • Actitudes 75 • Locomoción 75 • Higiene de los músculos 76 • Cuestionario 3 • Resumen 80 • Evaluación 82

Capítulo 6

Esplacnología 85

Generalidades 86 • Aparato digestivo 86 • Boca 86 • Dientes 88 • Faringe 90 • Esófago 91 • Estómago 91 • Intestino delgado 92 • Intestino grueso 93 • Peritoneo 94 • Glándulas anexas del tubo digestivo 95 • Hígado 96 • Páncreas 97 • Cuestionario 1 • Alimentos: clasificación 99 • Fuentes alimenticias 103 • Ración alimenticia 103 • Cuestionario 2 • Fenómenos de la digestión 105 • Fenómenos mecánicos de la digestión 105 • Movimientos del estómago 108 • Movimientos del intestino delgado 109 • Movimientos del intestino grueso 109 • Fenómenos químicos de la digestión 109 • Modificación de los hidratos de carbono 110 • Modificaciones de los alimentos albuminoideos 111 • Modificación de las grasas 112 • Bilis 113 • Absorción 114 • Trastornos de la defecación 115 • Cuestionario 3 • Nociones de la higienes 116 • Higiene de la excreción 120 • Cuestionario 4 • Resumen 121 • Evaluación 122

Capítulo 7

Angiología 125

Generalidades 126 • Corazón 126 • Arterias 127 • Principales arterias del organismo 128 • Capilares 130 • Venas 130 • Principales venas del organismo 131 • Cuestionario 1 • Fisiología de la articulación 135 • Camino que recorre la sangre 135 • Circulación de la sangre en el corazón 137 • Sístole y diástole en las aurículas 137 • Sístole y diástole en los ventrículos 137 • Movimientos y ruidos del corazón 138 • Propiedades del miocardio 138 • Circulación de las arterias 139 • Presión arterial 140 • Circulación capilar 140 • Circulación venosa 141 • Circulación de la linfa 141 • Cuestionario 2 • Tejido sanguíneo 142 • Plasma 143 • Elementos figurados 143 • Glóbulos rojos y hematíes 143 • Plaquetas 144 • Hemorragia 145 • Hemofilia 145 • Transfusión sanguínea 145 • Grupos sanguíneos 145 • Clasificación 146 • Tejido linfoideo 147 • Higiene circulatoria 148 • Cuestionario 3 • Resumen 150 • Evaluación 151

Capítulo 8

Aparato respiratorio 155

Generalidades 156 • Conducto aerífero 156 • Fosas nasales 156 • Faringe 157 • Laringe 157 • Tráquea 158 • Bronquios 158 • Pulmones 159 • Cuestionario 1 • Las células y tejidos del organismo humano 161 • Respiración 162 • Fenómenos mecánicos 163 • Modificaciones de los órganos vecinos en la respiración 164 • Modificaciones respiratorias 165 • Capacidad pulmonar 165 • Fenómeno químico 166 • Influencia del sistema nervioso de la respiración 167 • Asfixia 168 • Cuestionario 2 • Higiene de la respiración 170 • Corpúsculo del aire 171 • Microbios 172 • Profilaxis 173 • Fisiología de la laringe: fonación 174 • Alteración de la fonación 175 • Cuestionario 3 • Resumen 176 • Evaluación 178

Capítulo 9

Aparato glandular 181

Generalidades 182 • Tejido epitelial 182 • Cuestionario 1 • Aparato urinario 185 • Riñon 186 •

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Uréter 187 • Vejiga 188 • Uretra 188 • Aparato excretor 189 • Fisiología renal 189 • Glándula sudorípara y sebáceas 190 • Higiene individual 191 • Cuestionario 2 • Resumen 193 • Evaluación 194

Capítulo 10

Glándulas de secreción 197

Glándulas de secreción externa 198 • Glándulas mamarias 198 • Glándulas de secreción interna 199 • Glándulas suprarrenales 204 • Hígado 206 • Páncreas 207 • Epífisis 208 • Hipófisis 209 • Cuestionario 1 • Calor animal 212 • Metabolismo 213 • Cuestionario 2 • Resumen 215 • Evaluación 216

Capítulo 11

Aparato genital 219

Generalidades 220 • Aparato genital masculino 220 • Aparato genital femenino 222 • Cuestionario 1 • Fisiología de las glándulas sexuales 224 • Higiene sexual, alteraciones de la pubertad 228 • Cuestionario 2 • Resumen 230 • Evaluación 231

Capítulo 12

Sistema nervioso 233

Neurología 234 • Tejido nervioso 235 • Cuestionario 1 • Médula espinal 237 • Bulbo raquídeo 239 • Protuberancia 240 • Cuarto ventrículo 241 • Pedúnculos cerebrales 241 • Cerebelo 242 • Cerebro 242 • Meninges 245 • Sistema nervioso periférico 246 • Cuestionario 2 • Fisiología del sistema nervioso 248 • Papel de la médula espinal 249 • Funciones del istmo encefálo 251 • Fisiología del cerebelo 251 • Fisiología del cerebro 251 • Fisiología del sistema nervioso periférico 253 • Higiene del sistema nervioso 255 • Cuestionario 3 • Resumen 258 • Evaluación 260

Capítulo 13

Órganos de los sentidos 263

Generalidades 264 • Sentido del tacto 264 • Sentido del gusto 267 • Sentido del olfato 268 • Cuestionario 1 • Sentido del oído 270 • Sentido de la vista 273 • Cuestionario 2 • Fisiología del ojo 277 • Higiene de los órganos de los sentidos 280 • Cuestionario 3 • Resumen 282 • Evaluación 283

Capítulo 14

Higiene, salud pública y medicina preventiva 285

Introducción 286 • Erradicación de enfermedades infectocontagiosas 288 • Efectos de la vivienda en la salud 292 • Nutrición 295 • Misceláneas de salud 297 • Actualidad de la salud 299 • Recomendación especial para la aplicación práctica de este capítulo 300 • Epílogo 300 • Evaluación 301

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C A P Í T U L O 1

Concepto general de Biología

Célula vista a través de un microscopio

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Capítulo 1

Definición

La Biología es la ciencia que estudia a los seres vivos. Hay innumerables formas de vida, entre ellas las plantas, los animales, los protozoarios, las móneras o seres que no tienen núcleo e incluso entidades tan pequeñas y de estructura tan simple 1

como los virus. Todos estos seres vivos de los más simples a los más complejos se caracterizan por su capacidad de relacionarse con el medio donde se encuentran y también por su capacidad de reproducirse.

1. Reino Vegetal; 2. Reino Animal; 3. Reino Monera; 4. Reino Protozoa; 5. Reino Fungi.

Clasificación

La última mitad del siglo pasado ha sido testigo de una proliferación informativa sobre la estructura y función de los seres vivos que solo encuentra paralelos en la historia de la ciencia con la explosión en el conocimiento de la física que ocurrió a principios del mismo. Debido a estas circunstancias, cualquier clasificación de esta ciencia corre el riesgo de ser una simplificación excesiva. La ciencia que estudia las relaciones de los seres vivos con el ambiente que los rodea se llama Ecología. La que trata sobre la clasificación de los seres vivos y su localización con formas interrelacionadas es la Taxonomía. En el nivel orga-

Concepto general de Biología

Virus

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nísmico, la Zoología estudia los animales y la Botánica estudia aquellos seres vivos capaces de producir su propio alimento a base de la energía capturada de la luz del sol. La Microbiología estudia seres como las bacterias, caracterizadas por su ausencia de núcleo. La Virología analiza a los virus caracterizados por una estructura basada simplemente en un centro de ácidos ribonucleicos y en una cápsula hecha de proteína. Cuando la Botánica, Zoología o Microbiología estudian específicamente la estructura de un organismo, hablamos de Anatomía. Cuando se analiza la función de las diversas estructuras en un organismo, estudiamos la Fisiología del organismo. Cuando estas ciencias se relacionan exclusivamente con el conocimiento del ser humano, se llaman Anatomía y Fisiología Humanas. A su vez la Anatomía Humana comprende varios capítulos: el que se refiere al conocimiento de las unidades vivientes (las células), se llama Citología; el que trata de las agrupaciones celulares o tejidos es la

Histología; y el que se ocupa de los órganos y sistemas, la Organografía. Luego, como deducción de este conocimiento integral, se sacan las normas y reglas tendientes al mejor estado de conservación de cada parte del organismo humano, de cuyo estudio se ocupa la Higiene. La salud es la manifestación óptima de equilibrio físico y mental del organismo humano; cuando este equilibrio se rompe viene la enfermedad. Para que el organismo se reintegre a su trabajo normal y coordinado se recurre a los principios aconsejados por la Medicina y sus ciencias auxiliares: Bacteriología y Parasitología que estudian los microbios y parásitos causantes de ciertas enfermedades; Terapéutica que trata de la aplicación de las sustancias llamadas remedios para combatir estas enfermedades; etc. Pero, es el conocimiento de las reglas de higiene lo que sobre todo sirve para prevenir las enfermedades a fin de asegurar la conservación normal del organismo.

Cuestionario 1

1. Investigue las características comunes de todos los seres vivos.

Reproducción ________________________________________________________________________ Metabolismo _________________________________________________________________________ Organización compleja ________________________________________________________________ Crecimiento _________________________________________________________________________ Evolución____________________________________________________________________________

2. Dibuje un organismo representante de cada uno de los reinos conocidos.

3. La vida en todas sus manifestaciones y características solo es comprendida a partir de lo que se conoce en el planeta Tierra. Investigue qué probabilidades existen de que haya vida en otros lugares del universo. ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

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Capítulo 1

La célula

Con excepción de los virus, todos los seres vivos se hallan compuestos de una unidad fundamental de estructura y función que es la célula. Al nivel celular, y a pesar de la infinidad de modificaciones que se encuentran en el mismo organisLisosomas

Mitocondrias

Vacuolas

Núcleo

Membrana nuclear Cromatina

Célula animal Poro

Retículo E.rugoso

Centríolos Membrana

Fibras intermerdias

Aparato de Golgi

R. E. liso

Microfilamentos

Ribosomas

Microtúbulos

mo, y de organismo a organismo, uno puede maravillarse ante las asombrosas similitudes en el plan básico de la célula. La ciencia que estudia la estructura y función de la célula de cualquier tipo de organismo es la Biología Celular. Básicamente la célula está limitada por una membrana que circunscribe al citoplasma. Dentro del citoplasma se encuentra el núcleo, también rodeado de una membrana que lo separa del mismo. El citoplasma tiene organoides que realizan importantes funciones en la célula. Entre estos se encuentran las mitocondrias que son los centros de conservación de energía celular. Los lisosomas, unos corpúsculos de forma irregular que tienen co-

Concepto general de Biología

mo función la digestión de sustancias extrañas a la célula y también la destrucción de productos de desecho de la misma, así como de estructuras celulares viejas que vienen a ser reemplazadas por componentes nuevos. El retículo endoplasmático que es una especie de canal interconectado a través de todo el volumen del citoplasma, tiene a cargo la recepción, acortamiento y transporte de proteínas sintetizadas por pequeños organoides llamados ribosomas. El retículo endoplasmático también tiene como papel la desaturación de las grasas que son utilizadas en la construcción de membranas de la célula. El aparato de Golgi tiene una formación típica de sáculos aplastados en los que se llevan a cabo la agregación de azúcares a las proteínas. Estos azúcares tienen el papel de “etiquetas” que identifican a la proteína que pertenece a las diferentes membranas de la célula y de los organoides como la mitocondria, por ejemplo; de manera que el tráfico de proteínas a sus diferentes destinaciones no encuentra obstáculo de identificación. Los peroxisomas son organoides generalmente pequeños caracterizados por tener enzimas oxidativas que producen como desecho agua oxigenada, la cual, por ser tóxica para la célula, es inmediatamente degradada por enzimas que le convierten en agua y oxígeno. El citoplasma además tiene un esqueleto fibroso proteico en forma de andamios interconectados que le dan soporte a la célula. Los constituyentes de este esqueleto celular tienen diferente grosor; los microtúbulos son más gruesos, las microfibrillas muy delgadas y los filamentos intermediarios, de grosor mediano.

1 2 3 4

1. 2. 3. 4.

Núcleo celular Mitocondrias Ribosomas Aparato de Golgi

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Microtúbulos

El citoplasma, que se encuentra rodeando todos estos compartimientos celulares, tiene además enzimas que realizan el fraccionamiento de moléculas grandes que el organismo ha ingerido para convertirlas en moléculas más pequeñas que pueden ser transportadas en los organoides para procesarlas de acuerdo a las necesidades de la célula. Existen, por lo tanto, en el citoplasma moléculas diseñadas para el transporte de sustancias: metabolitos como azúcares pequeños, aminoácidos, sales y moléculas especializadas en el intercambio de energía como el difosfato y el trifosfato de adenosina (ADP y ATP). El núcleo es el centro de información de la célula, imparte órdenes para la formación de proteínas, las cuales no solo constituyen la base estructural de la célula sino que algunas de estas proteínas son enzimas y por lo tanto son catalizadores de reacciones químicas como oxidaciones, reduc-

ciones, síntesis y degradaciones que ocurren constantemente en la célula. El núcleo, además, contiene la información genética transmitida de padres a hijos en forma de ácido desoxirribonucleico. Durante la división celular este complejo puede visualizarse microscópicamente en los organoideos llamados cromosomas. Hasta que en 1953 Watson y Crick caracterizaron la estructura del ácido desoxirribonucleico y su papel esencial en la herencia, los biólogos especulaban que el material en el núcleo, que transmitía los caracteres hereditarios, se hallaba en la proteína de los cromosomas, debido a que la complejidad de forma y de número de las proteínas les hacían las candidatas más obvias para la transmisión de caracteres, tan complejos como la forma y la estructura de seres que se hallan compuestos por trillones de células, cada una de las cuales tiene miles de reacciones químicas que ocurren simultáneamente en una exquisita secuencia y coordinación con otras reacciones y con otras células. Además, las células forman tejidos que realizan la función para la que su estructura las prepara, actuando en coordinación con otros tejidos en el organismo. El organismo por fin se relaciona y funciona con otros organismos o interacciona íntimamente con el ambiente que lo rodea. Esta sinfonía de estructura y función se halla últimamente dirigida por una molécula muy simple de ácido ribonucleico.

Cuestionario 2

1. Complete la siguiente tabla de los organelos citoplasmáticos: Organelos

Mitocondrias

Anatomía

Fisiología

Lisosomas

Retículo endoplásmatico

Ribosomas

Aparato de Golgi

Peroxisomas

Microtúbulos

2. ¿Por qué se creía antes que la herencia estaba relacionada con las proteínas? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

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Capítulo 1

La Citoquímica

El hidrógeno es finalmente separado de sus electrones, los cuales son transportados por una cadena de moléculas en una degradación sistemática que termina en la donación de electrones a los átomos de oxígeno. El hidrógeno sin su electrón forma una gradiente iónica que finalmente es forzada a través de una proteína que también está localizada en la membrana interior de la mitocondria. Esta acción desprende suficiente energía para producir la fosforización de una molécula de ADP en una molécula de ATP, creando por tanto una fuente de energía que puede ser utilizada para las necesidades celulares. Este proceso de transporte de electrones y de fosforización oxidativa es la razón por la cual nos alimentamos e inhalamos oxígeno ya que los electrones y átomos de hidrógeno finalmente liberados en la degradación de las moléculas de azúcares, proteínas o grasas, eventualmente requieren como receptor al oxígeno, con la producción de agua como desecho. Ciclo de Krebs

H3C

u C SCoA

Acetyl-CoA H2C

coo0

Oxalacetato H C

H2C coo0

coo0

NAO0

Malato

NADH+H0

H2C

CH2

coo0

Citrato 7 2 coo0

H C

C H

0ooc

Fumarato

CH2

coo0

Isocitrato FAD-H2

NAO0

3 6

FAD

H2C

NADH+H0 GTP +HSÐCoA

CH2

NAO0 +HSÐCoA

Succinato GDP+ P

H2 C

CO2

NADH+H0

coo0

Up PP T

Los seres vivos, en general, están compuestos de sustancias químicas similares a las que se encuentran en el mundo inanimado. Estas sustancias químicas en los organismos vivos obedecen las leyes de la Química y de la Física. La Bioquímica estudia estas reacciones que ocurren a nivel molecular, como por ejemplo la estructura de las proteínas, su función y las relaciones con otras funciones de la célula. Una molécula de glucosa, por ejemplo, que ha sido transportada a la célula después de ser procesada en el aparato digestivo, es llevada a través de la membrana celular por una proteína especializada en el transporte específico de la glucosa. Una vez que se encuentra en el citoplasma, la molécula de glucosa se ve cuidadosamente degradada en pasos sistemáticos por enzimas que rompen una a una las ligaduras químicas de la molécula con la consiguiente liberación de energía. Al contrario de una oxidación no enzimática, en la célula, la energía que se libera al romper una ligadura entre átomos es transferida a una molécula especializada en recibir y donar energía. Esta molécula se llama la adenosina difosfato. En casos de degradación de una molécula de glucosa, la adenosina difosfato utiliza la energía de ligadura química liberada para captar un grupo fosfato inorgánico y formar una molécula de adenosina trifosfato. Esta molécula es entonces mantenida por la célula para realizar trabajo de síntesis químico, por ejemplo, o en trabajo mecánico como en el músculo. Cuando la molécula de glucosa, que tiene seis carbones, ha sido degradada a una molécula de vinagre, que tiene dos carbones, es transportada a la mitocondria donde entra en el ciclo de Krebs en el cual las últimas ligaduras químicas se rompen formando anhídrido carbónico, el cual se difunde a través de la célula hacia la sangre en animales multicelulares, y a través de la sangre al sistema respiratorio de donde es excretado al medio ambiente. La energía liberada durante la degradación en el ciclo de Krebs es mantenida en moléculas derivadas de las vitaminas nicotinamida y flavina. Estas moléculas acumulan energía en forma de ligaduras con átomos de hidrógeno provenientes de la reacción química descrita. En la membrana interior de la mitocondria existen moléculas especializadas que desprenden el hidrógeno de la nicotinamida y de la flavina.

Concepto general de Biología

C coo0

CH2

Succinyl-CoA

CH2 coo0

ÐCetoglutarato

CÐSCoA coo0

CH2

CO2

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Cuestionario 3

1. ¿Qué estudia la Bioquímica? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 2. ¿Cómo es el proceso de oxidación enzimática de la glucosa? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 3. ¿Cómo se llama la molécula especializada en dar y recibir electrones? ____________________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es la función de la molécula adenosina trifosfato? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 5. ¿Cuál es el producto final en el ciclo de Krebs y qué ocurre con él? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 6. ¿A dónde va la energía liberada en el ciclo de Krebs? ____________________________________________________________________________________

Biología molecular

La información necesaria para mantener el orden preciso y sincrónico de reacciones como la descrita, conjuntamente con otras de igual o superior complejidad, reside en el núcleo. La molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) tiene la forma de una escalera helicoidal. Los soportes verticales de la escalera están formados por un azúcar simple, la ribosa, que tiene añadidos a sí grupos fosfatos. Las gradas de la escalera están compuestas de cuatro tipos de nucleótidos: adenina, citosina, guanina y timina. El código genético está determinado por la secuencia de “codones”. Cada codón está constituido por un code triple formado por la secuencia de tres nucleótidos. Cada codón determina que la máquina de la célula forme un aminoácido específico. Los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas. Enzimas especializadas abren la molécula del ADN y permiten que la infor-

ADN

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Capítulo 1

ARN

Guanina

Adenina

Estructura y función

Concepto general de Biología

mación genética sea transcrita en otras moléculas especializadas de ácido ribonucleico (ARN). Estas moléculas de ARN son transportadas al citoplasma donde son utilizadas para traducir la información en los ribosomas, sitios especializados en la producción de proteínas. Como muchas proteínas son enzimas, las enzimas a su vez dirigen diversas reacciones químicas que mantienen toda la integridad estructural funcional de la célula. Todos los seres vivos obedecen a un código genético desde las móneras hasta los mamíferos. Hoy en día, gracias a los avances en Ingeniería Genética, una proteína humana como la insulina o el interferón, por ejemplo, puede ser producida por bacterias en escala industrial, bajo condiciones controladas en el laboratorio. Hechos como este, nos permiten afirmar la unidad biológica básica de todos los seres vivientes.

La forma de una molécula, que ha sido deterA nivel celular se pueden ver cosas semejantes. minada por métodos fisicoquímicos, está delicada- Células que se especializan en el metabolismo de mente diseñada para realizar la función que le co- los lípidos, por ejemplo, se llenan de organoides rresponde. Por ejemplo, la molécula de hemoglo- que metabolizan lípidos. Células que se especialibina tiene un centro de hierro que captura el oxí- zan en contracción están llenas de proteínas espegeno y unos brazos laterales que al reaccionar con cializadas en la contracción como la miosina, la átomos pequeños del metabolismo celular, modifi- actina, la troponina y la tropomiosina. Estas procan la forma de la molécula y, por tanto, su capa- teínas están organizadas en forma arquitectónica cidad de unirse al oxígeno. Esta característica es lo cual facilita la contracción de la célula y del teaprovechada, durante la adaptación a la altitud en jido. La forma de la célula es de esta manera relas personas que viven al nivel del mar cuando se flejada en la forma del tejido y del órgano. enfrentan a la poca cantidad de oxígeno que hay en las alturas de la Sierra. Como hay poco oxígeno en la célula, uno de los metabolitos de la ruptura de la molécula de glucosa se acumula. Este metabolito es atraído por la molécula de hemoglobina. Al combinarse con ella, vuelve más afín al oxígeno, de manera que la poca cantidad de este gas se ve compensada con la mayor afinidad de la molécula. La reacción de emergencia entonces queda El número de glóbulos rojos se eleva cuando la persona vive en zonas altas. resuelta.

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A pesar de los enormes avances de los últimos años, los misterios de la naturaleza y de los organismos, en general, son aún muy grandes. Cada vez que un problema de función o de estructura es resuelto por medio de la experimentación, muchas otras incógnitas aparecen en los sistemas observados. Innumerables fenómenos que son incomprensibles ahora, podrán ser explicados solamente cuando entendamos más los fenómenos fisicoquímicos que los gobiernan.

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6 18

22 17

y 4

22 14

16 14

18 21

7 20

7 6

En los 23 pares de cromosomas humanos se almacena toda la información genética.

17 5

Cuestionario 4

1. ¿Qué es un codón?, ¿qué función tiene? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

2. Defina los siguientes términos: Transcripción_________________________________________________________________________ Insulina _____________________________________________________________________________ Interferón ___________________________________________________________________________ Ingeniería Genética ___________________________________________________________________ 3. ¿Cómo se adaptan bioquímicamente los costeños cuando van a la Sierra? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

4. Explique con un ejemplo la siguiente oración: “La forma de una molécula corresponde a la función que desempeña”. ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

Nuestra herencia genética y desarrollo embrionario

Cromosomas Introducimos el concepto de cromosomas cuando hablamos de estructura celular. Los cromosomas no son sino paquetes de ADN condensado con proteínas que han sido envalijados para la ordenada división celular. Cuando una célula se divide por mitosis, las células hijas heredan el mismo número de cromosomas, (46). Cada cromosoma tiene muchísimos genes y los cromosomas del mismo número contienen los mismos genes con pequeñas diferencias. Los cromosomas vienen en pares, por ejemplo: hay dos cromosomas número uno, dos número veinte,

Proceso mitótico en células vegetales

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Capítulo 1

etc., debido a que cada gen viene en dos copias o alelos. Los cromosomas dispuestos en veintitrés pares se diferencian en dos grupos: veintidós son los somáticos o autosomas; el último par es transmisor de los caracteres sexuales por lo que se denominan cromosomas sexuales: XX femenino y XY masculino. Cada uno de los alelos proviene de nuestros padres durante la fertilización, ya que el espermatozoide y el óvulo maduro tienen solamente veintitrés cromosomas cada uno, por la reducción sufrida en el proceso de la meiosis. Cada gen es una cinta de ADN portadora de instrucciones para hacer una proteína específica, algunos alelos se expresan más fuertemente en la apariencia de un individuo o fenotipo, por eso se llaman dominantes; los que no se expresan en el fenotipo se denominan recesivos. Toda la colección de información genética contenida de manera doble en los cromosomas se conoce colectivamente como genotipo.

El gen de ojos oscuros domina sobre el de ojos claros

Es importante recordar que cada célula del cuerpo humano contiene la misma información genética. Todas las células del cuerpo contienen proteínas comunes como las histonas, que ayudan a empaquetar el ADN, proteínas para la respiración celular, etc. Sin embargo, no todas las células expresan todos los genes que tienen en el núcleo; por ejemplo, las células del hígado expresan ciertas proteínas que no se expresan en el cerebro o en la piel. De la misma manera, las células del cristalino del ojo tienen proteínas que no se encuentran en ninguna otra célula. Este proceso por el cual solo ciertos genes se expresan en ciertas células, se debe a un control riguroso de la parte del ADN que se transcribe y se traduce.

Concepto general de Biología

El sistema nervioso está regulado y codificado por el 50 % de los genes que existen en la especie humana. El genoma humano contiene alrededor de 30 000 genes. Ciertos genes se expresan solamente durante la época más temprana del desarrollo embrionario. Por ejemplo, durante la mitosis celular hay proteínas que ordenan a la célula que se divida con gran rapidez: cada veinte minutos en lugar de los largos intervalos que se observan en las células adultas: ciento veinte días para los eritrocitos, veinticuatro horas para las células de la mucosa gástrica, años para ciertos leucocitos, y una sola vez en la vida para ciertas neuronas.

Una de las primeras etapas de la embriogénesis: la mórula

Como consecuencia de esta orden, el embrión crece de manera muy rápida. Obviamente, los genes que controlan esta división acelerada se mantienen "callados" durante el resto de la vida del individuo. Esto se debe a que la parte del ADN que mantiene estos genes se bloquea con proteínas y con cambios químicos como la metilación del ADN, que impiden que las enzimas de transcripción ganen acceso a ese gen. De la misma manera, procesos de migración, maduración y diferenciación celular, están regulados por activación e inhibición de ciertos genes. Sin embargo, en ciertos casos patológicos como el cáncer, la protección y restricción de expresión de estos genes se malogra, y como resultado, estos genes vuelven a expresarse causando el creci-

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miento sin restricción que se observa en los casos de cáncer. En realidad, las células cancerosas se vuelven inmortales. Hay muchas variedades de células cancerosas (Hela, etc.) obtenidas en pacientes con cáncer hace muchos años. Estas células se utilizan en laboratorios a través del mundo, muchos años después de la muerte del paciente.

Laboratorio de genética

Células cancerosas

Hay otros genes que controlan la organización de las diferentes regiones del cuerpo. Entre ellos hay un grupo de genes que se llama en inglés el “homeobox”, estudiados en la mosca de fruta, que han sido utilizados por muchos organismos para dirigir la organización arquitectónica del cuerpo. En insectos hay anomalías genéticas, como por ejemplo, una pata reemplaza al ojo, debido a una mutación en este tipo de gen. Si estos genes fundamentales fallan, el embrión anómalo se destruye antes de nacer (aborto espontáneo). Se cree que el efecto de la talidomida en los años cincuenta, dio como resultado niños sin brazos o sin piernas debido a interrupciones de este tipo. En muchos laboratorios del mundo, recientemente se han podido identificar la localización exacta de ciertos genes en cada uno de los cromosomas. Este gran avance se debe al desarrollo de la Biología molecular. Gracias a técnicas que permiten la rápida síntesis del ADN que se encuentra en ciertas células solamente (usando una enzima extraída de una bacteria que vive en aguas termales), podemos sintetizar grandes cantidades de genes individuales. Una vez obtenidos, se pueden añadir moléculas fluorescentes o radiactivas para localizar en su cromosoma específico. La Ingeniería Genética permite introducir ciertos genes en un plasmidio, por ejemplo, el gen que ordena la síntesis de la insulina. Plasmidios son pequeños círculos de ADN existentes en bacterias y son utilizados para otorgar a la bacteria resistencia a ciertos antibióticos. La técnica molecular permite obtener plasmidios de bacterias, purificarlos,

cortarlos y luego añadirlos a un gen como el de la insulina. Después de ligar al gen el plasmidio, se lo introduce en bacterias como el Enterobacter coli. Una vez introducidos los plasmidios, los laboratorios producen grandes cantidades de estas bacterias modificadas que crecen en enormes tanques de caldos de cultivo; como las bacterias se replican cada veinte minutos, se producen millones de ellas. Cada bacteria tiene incorporado el plasmidio que ordena la síntesis de la insulina, en nuestro ejemplo. De esta manera, la insulina humana se produce ahora en bacterias y puede ser utilizada en pacientes diabéticos, sin los problemas alérgicos que se observan cuando la insulina es purificada de animales como la yegua, el chancho, etc. Translocaciones son cambios de partes de un cromosoma movidas a otro cromosoma durante la división celular. Este cambio puede tener serias consecuencias. En algunos casos, Corta estatura ciertos cromosomas Baja línea del pelo Rasgos característicos se pierden en un gade la cara meto. Este fenómePliegue de piel Constricción de aorta no se llama no disTórax en forma yunción, y es genede escudo ralmente fatal. En Pezones anchos Deformidad ciertos casos, el crodel codo mosoma que se pierPobre desarrollo de los senos de es el Y; el resultaCorto do de esto es que la metacarpo IV Uñas de niña tiene solamenlos dedos te un cromosoma X. pequeños Ovarios La persona con esta rudimentarios disfunción genética Manchas cafés Ausencia de menstruación es fenotípicamente una mujer, pero es estéril con características infantiles en Síndrome de Turner su cuerpo. Se conoce como el síndrome de Turner (XO).

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Capítulo 1

El Instituto Nacional de la Salud Humana en Estados Unidos, con el esfuerzo de científicos de todo el mundo, desarrolla este proyecto con la finalidad de localizar todos los genes que controlan la arquitectura, función y desarrollo del cuerpo. Debemos recordar que no todo el ADN está destinado a producir proteínas que se expresan en las células. Solo un pequeño porcentaje es utilizado en este rol. Partes del ADN se utilizan para controlar la expresión de los genes, y otras partes se cree que son mantenidas como material redundante que algunos biólogos moleculares llaman “non sense ADN”. En realidad, no se sabe a La investigación del genoma humano se realiza en potentes ordenadores. ciencia cierta el

Parkinso n

Proyecto del genoma humano

contradictorios y deben ser interpretados con extrema precaución. En la actualidad, se puede localizar el cromosoma específico que contiene este gen, solo en muy pocos casos, ya que en la mayoría de las enfermedades genéticas, parece que son muchos genes en asociación con factores nocivos del medio ambiente los que determinan la expresión de estas enfermedades.

Norm

En otros casos hay tres cromoNiña Down somas del mismo tipo, como la trisomía del cromosoma 21: las personas tienen retardo mental, los párpados caídos en forma asiática, la lengua muy grande; es el mongolismo o síndrome de Down. Estos individuos tienen una vida corta y desarrollan la enfermedad de Alzheimer y leucemias en edades tempranas. La pérdida de otros cromosomas es fatal. Hay muchas enfermedades que se producen por mutaciones en un gen, como por ejemplo la Talasemia, la Sickel cell anemia y muchas otras. La obesidad excesiva parece estar relacionada con genes anormales. Ciertas enfermedades mentales y neurológicas como la maniacodepresión, las neurosis obsesivo–compulsivas, el Parkinson, la enfermedad de Huntington, la esquizofrenia son causadas probablemente por cambios genéticos. Sin embargo, muchos de los estudios genéticos de estas enfermedades son todavía controversiales y

Concepto general de Biología

Regiones del cerebro afectadas por la enfermedad de Parkinson.

papel de esta gran porción del ADN, y creemos que tiene un rol aún desconocido por los científicos que se encargan de estudiar tal punto. Con el gran avance del conocimiento de la Biología molecular hay, como en todas las aventuras humanas, el potencial para que ciertas iniciativas se realicen con falta de principios éticos. Por ejemplo, en países industrializados donde la comunicación de información de salud individual es posible, hay el peligro de que el conocimiento de la existencia de ciertas enfermedades genéticas pueda ser utilizados por las compañías de seguros y los centros de trabajo, para discriminar y negar los beneficios de salud, que son extremadamente costosos, a pacientes que sufren o que tienen el potencial de desarrollar ciertas enfermedades. Además, los exámenes prenatales pueden dar información sobre ciertas enfermedades genéticas y también el sexo del embrión. Se sabe que en ciertos segmentos de la población se realizan abortos clínicos no solo para terminar un embarazo de embriones deformados, sino para determinar el sexo del futuro hijo.

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Mapa de herencia genética 1. 2.

Cáncer prostático Enfermedad de Gaucher’s Cáncer de colon

3. Retinitis pigmentosa

4. Corea de Huntington

5. Poliposis de colon

6. 7.

Ataxia espino-cerebelosa Fibrosis cística

8. 9. 10.

Melanoma maligno Tumores endocrinos

11. Sickle cell anemia

12. 13.

Fenilquetonuria Retinoblastoma

14. 15. 16. 17. 18. 19.

Predisposición a enfisema P. Enfermedad de Alzheimer (Demencia senil) Enfermedad de Tay-Sachs Síndrome de Marfan Riñón poliquístico Cáncer del seno Amiloidosis Distrofia miotónica Hipercolesterolemia

20. 21. 22. 23. X Y

ADA Deficiencia Esclerosis amiotrópica lateral Síndrome de Down Neurofibromatosis

Hemofilia Daltonismo (ceguera a los colores) Distrofia muscular

Especificación de genes anormales

ADN comprobado Gen localizado (Locus) ADN en proceso

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Capítulo 1

Clonación

En Inglaterra se clonó una oveja llamada Dolly, usando una célula obtenida de la ubre de la madre. Como decíamos al comienzo de este segmento, cada célula contiene todos los genes necesarios para formar un individuo. Esta clonación que produjo Dolly, comenzó con una célula madura a la que los científicos le reLa oveja Dolly movieron los cromosomas del núcleo, dejándole únicamente con citoplasma, membrana y organelos. La célula de la ubre fue mantenida en cultivo, y luego la fusionaron con el huevo sin núcleo por medio de un shock eléctrico. Al unirse la pequeña célula mamaria con el óvulo sin cromosomas, el núcleo de la célula memoria que tenía el complemento completo de cromosomas de la especie, pudo dirigir el programa de desarrollo hasta llegar al estado de mórula. A la mórula la implantaron

Concepto general de Biología

en el útero de una oveja nodriza hasta el fin de la gestación. La técnica para producir Dolly depende de la gran capacidad del huevo maduro. El huevo, producido por las hembras, es enorme en comparación con las otras células, mantiene en el citoplasma una inmensa cantidad de organelos y de información genética en forma de mRNA, rRNA, tRNA, que se encuentran protegidos por proteínas para evitar su destrucción. Sin el huevo y sin el útero de la oveja nodriza, no se habría podido producir a Dolly. Obviamente, si existe la técnica para hacer un clon de una oveja, no hay barreras técnicas para producir un clon humano. La única barrera existente es la de la ética y moralidad humana. ¿Qué se hace con los embriones que no se implantan? ¿Quién decide el candidato o candidata para ser clonado? ¿Quién es el padre legal del clon? Todas estas consideraciones éticas, que por ningún motivo son parte de la ciencia, deben ser observadas de una manera muy escrupulosa para mantener el respeto por la valiosa vida humana y la dignidad del individuo.

Secuencia completa del genoma humano

El Consorcio Internacional del Genoma Humano y Celera Genomics (Rockville Maryland, EE. UU.) publicaron en febrero de 2001 la secuencia total del genoma humano, que podría muy bien llamarse el libro de la vida y constituye uno de los más grandes logros de la ciencia. Llevó más de siete años para que miles de científicos especializados en Genética molecular, provenientes de muchos países, hayan podido colaborar para lograr establecer la secuencia de los 3 000 millones de bases que representan al genoma humano. Estudios preliminares muy sorprendentes indican que existen únicamente alrededor de 32 000 genes. Parece ser que en contraste con otras especies que usan un gen para transcribir y luego traducir una proteína, en los humanos un gen puede ser transcrito y traducido en dos o tres proteínas, lo que explica el reducido número de genes que se han encontrado en los humanos. Por supuesto que hay todavía pedazos en el genoma que no están completamente clasificados, pues el Consorcio In-

ternacional del Genoma, basado en los Institutos Nacionales de la Salud de Estados Unidos, y Celera Genomics no se han puesto de acuerdo en la interpretación de ciertas regiones del genoma. Este formidable adelanto científico no parecía posible hace quince años. Todo esto se logró gracias a computadoras de una inmensa capacidad, y a un costo de más de trescientos millones de dólares. Genes

Gen 1 Cromosoma Gen 2 ADN

Los genes son estructuras que almacenan información hereditaria, están hechos de ADN.

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Hoy conocemos el genoma completo de algunos organismos, a más del humano que es el más grande. Por ejemplo, se conoce el genoma del mosquito de la fruta (Drosophila melanogaster); de la le-

Drosophila melanogaster o mosca de la fruta

vadura (S. cerevesiae), del arroz (A. tailiana), del ratón (M. musculus), del gusano redondo (C. elegans) y del virus H. influenzae. Se necesitarían más de 200 voluminosos libros para lograr escribir toda la información de los 3 000 millones de bases de ADN que forma el genoma humano. Esta información es pública gracias a la persistencia e integridad de los científicos que forman el Consorcio Internacional del Genoma. Es posible ahora que cualquier científico del mundo pueda conectarse por medio de Internet con los Institutos Nacionales de la Salud (NIH en Estados Unidos) para obtener la totalidad de la secuencia del genoma humano.

Cuestionario 5

1. Defina los siguientes términos: Alelos _______________________________________________________________________________ Autosomas ___________________________________________________________________________ Gen ________________________________________________________________________________ Fenotipo ____________________________________________________________________________ Genotipo ____________________________________________________________________________ 2. Investigue 5 características dominantes y 5 recesivas en los seres humanos: ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

3. ¿Qué ocurriría si los genes que ordenan la reproducción celular en el embrión persisten en su ritmo de división en el individuo adulto? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 4. Anote dos beneficios y dos posibles perjuicios de las aplicaciones del Proyecto del Genoma Humano. ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ 5. ¿En qué consistió el proceso de clonación de la oveja Dolly? ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________

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Capítulo 1

Concepto general de Biología

Resumen

Ciencias Naturales Estudia seres vivos Investiga seres de cinco reinos

Biología

Ciencias Sociales

Analiza estructura, función e interrelaciones

Ecología

Botánica

Zoología

Citología

Genética

Organismo Sistema Órgano Tejido Unidad anatómica-fisiológica

Contiene membrana, citoplasma y núcleo

Contiene sustancias químicas que reaccionan

Célula

Sistema inerte

Contiene organoides

Citoquímica

Citogenética

Biología molecular

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Evaluación

1. ¿De qué se ocupa la Biología? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 2. ¿Cuáles son los seres vivos objeto del estudio de la Biología? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 3. ¿Cómo se clasifican las ciencias biológicas? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 4. ¿Por qué se unen la Anatomía, la Fisiología y la Higiene humana para nuestro estudio? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 5. ¿Cuáles son las partes constitutivas fundamentales en la estructura de una célula? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 6. ¿A qué proceso citoquímico se denomina el ciclo de Krebs? ¿Qué factores intervienen y cuál es su resultado final? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 7. ¿Cómo está constituida la molécula del ADN? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________

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Capítulo 1

Concepto general de Biología

8. ¿Qué es el código genético? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________

9. ¿En qué consiste la Ingeniería Genética? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 10.¿Qué es el genoma humano? ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ 11.Investigue qué es la biotecnología. ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________

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C A P Í T U L O 2

División del cuerpo humano en aparatos y sistemas

Proporciones del cuerpo humano. Leonardo da Vinci