Biología by eseté editorial

BIOLOGíA JORGE JOEL REYES MÉNDEZ

Bachillerato tecnológico

Por competencias

Incluye secuencias didácticas e instrumentos de evaluación

BIOLOGíA JORGE JOEL REYES MÉNDEZ

Bachillerato tecnológico Por competencias

Biología

Reyes Méndez, Jorge Joel. Biología / Jorge Joel Reyes Méndez. — Distrito Federal: ST Editorial, 2011. 192 pp.: il.; 26 cm. — (Bachillerato tecnológico por competencias) Bibliografía: p. 192. ISBN 978 607 508 011 6 1. Biología. I. t. II. Ser. 570 R457

Infoestratégica

Dedicatoria: A Berenice, Julieta, Adrián y Sofía. A Viridiana, por su apoyo. ST Distribución, S.A. de C.V. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, registro número 3342. © Derechos reservados 2011 Primera edición: Distrito Federal, julio de 2011 © 2011, Jorge Joel Reyes Méndez ISBN: 978 607 508 011 6 Presidente: Alonso Trejos Director general: Joaquín Trejos Directora editorial: Áurea Camacho Coordinadora editorial: Lilia Villanueva Edición: Lourdes Torres Asistente editorial: Juan Carlos Hurtado Director de arte: Miguel Cabrera Coordinadora de producción: Daniela Hernández Diagramación: Jeffrey Torres Portada: Miguel Cabrera Asistente de producción: Milagro Trejos Ilustraciones: archivo ST Editorial Fotografías: Stockxchange, archivo ST Editorial Prohibida la reproducción total o parcial de este libro en cualquier medio sin permiso escrito de la editorial. Impreso en México. Printed in Mexico. Biología, de Jorge Joel Reyes Méndez, se terminó de imprimir en julio de 2011 en los talleres de Reproducciones Fotomecánicas S. A. de C. V., con domicilio en Democracias #116, col. San Miguel Amantla, Delegación Azcapotzalco, C.P. 02700 México, D. F.

Presentación La ciencia de la biología intenta resolver cuestiones tan trascendentes como de qué manera surgió la vida, cómo está constituido el cuerpo de los seres vivos, por qué nos parecemos tanto unos seres humanos a otros y cómo se dispersan las enfermedades, entre otras. Estas preguntas no se abordaron científicamente hasta finales del siglo xix, con el surgimiento de las teorías de la evolución y la teoría celular, que transformaron la biología de su tiempo en una ciencia moderna y experimental. Después de la determinación de la estructura del adn en 1953, se experimentó un desarrollo vertiginoso de la biología molecular y de las técnicas de ingeniería genética, las cuales desempeñaron un papel fundamental en transformaciones de la sociedad y permitieron hacer realidad cuestiones primordiales para nuestro futuro, como la terapia génica, la clonación, los alimentos transgénicos, etc.

El libro de texto que tienes en tus manos está completamente apegado al nuevo programa correspondiente a la Reforma Integral de la Educación Media Superior propuesto por el Bachillerato Tecnológico. Tiene como objetivo presentar una visión actualizada de la biología mediante un sistema de enseñanza basado en competencias y centrado en tres ámbitos: la ampliación y profundización de conocimientos científicos sobre los mecanismos básicos que rigen el mundo vivo, para lo cual aborda los niveles celular, subcelular y molecular, y explica los fenómenos en términos bioquímicos o biofísicos; la articulación de los conocimientos sobre la estructura y funciones celulares, de manera que se comprenda la complejidad de los seres vivos y los fenómenos que en ellos ocurren, desde los puntos de vista analítico y general; y, por último, la promoción de una actitud investigativa basada en el análisis y la práctica de los procedimientos básicos del trabajo científico que han permitido el avance de la biología, considerando las diferentes teorías y modelos presentes en su desarrollo: planteamiento de problemas, formulación y contraste de hipótesis, diseño y desarrollo de experimentos, interpretación de resultados, comunicación científica y manejo de fuentes de información. Las estrategias que integran el libro se diseñaron a partir de los cuatro ejes complementarios para construir el conocimiento biológico: el pensamiento evolucionista, el análisis histórico, el razonamiento sociedad-ciencia-tecnología y las propiedades de los sistemas vivos. Las actividades se estructuraron en tres momentos: apertura, desarrollo y cierre, considerando los enfoques del programa, los propósitos del curso y de cada unidad, los aprendizajes que se pretende alcanzar y los conocimientos previos de los alumnos.

Finalmente, y no por ello menos importante, se contemplan las múltiples implicaciones personales, sociales, éticas, legales, económicas o políticas de los descubrimientos que constantemente se producen en la biología y sus relaciones con otras ciencias, desde un enfoque que muestra las cuestiones controvertidas y el alcance social que genera la actividad científica. De antemano, se agradece cualquier comentario o sugerencia por parte de los lectores que sirva para mejorar esta obra; se pueden enviar al autor a la siguiente dirección electrónica: comentarios@st-editorial.com

Contenido Conoce tu libro Competencias genéricas con atributos

Unidad 1

6 8

Estructura de las proteínas

Funciones de las proteínas

Ácidos nucleicos

Organización de la materia viva

Actividad de apertura Tema1. Un vistazo a la vida

14 16

¿Cómo definir el concepto vida?

Niveles de organización

Replicación del adn 59 arn 61

Vitaminas 62

Tema4. Estructura y funciones de la célula

Estructura celular general

Organización unicelular

Propiedades emergentes

Organización pluricelular

Obtención de materiales y energía por los organismos

Homeostasis 23

Estructura y funciones de la membrana plasmática

Tema5. Metabolismo: energía y enzimas Tema6. Fotosíntesis y respiración celular

71 73

Fotosíntesis 73

Respuestas de los organismos

Reproducción y desarrollo en las plantas

Fases de la fotosíntesis

Reproducción y desarrollo en los animales

Factores que influyen en la fotosíntesis

Adaptaciones 25 Organización de la biosfera

Clasificación de los seres vivos

Procesos de la ciencia

Tema2. Química básica

Bioelementos 31 Bioelementos primarios o principales

Bioelementos secundarios

Oligoelementos 36 Biomoléculas 37

Respiración celular

Diferencias y similitudes entre fotosíntesis y respiración celular

Actividad de cierre

Unidad 2

Procesos en los seres vivos

Actividad de apertura Tema1. Respiración

92 93

Difusión de los gases

Respiración por difusión y respiración cutánea

Sales minerales

Respiración traqueal

Acción reguladora del pH. Sistemas tampón

Respiración branquial

Respiración pulmonar

Funciones del agua en la materia viva

Tema3. Química de las moléculas orgánicas

Carbohidratos 44 Funciones de los carbohidratos

Lípidos 47 Funciones de los lípidos

Otras características de los lípidos

Sistema respiratorio humano

Transporte e intercambio de gases

Regulación de la ventilación

Tema2. Nutrición Nutrición en arqueas y en bacterias

102 102

Proteínas 51

Arqueas 102

Aminoácidos 52

Bacterias 104

Nutrición en algas verdes y en plantas

105

Nutrición en hongos

106

Nutrición en animales

107

Digestión 109 Tubo digestivo de los vertebrados

Tema3. Crecimiento y desarrollo Reproducción celular Ciclo celular y mitosis

109

114 114 114

Meiosis 118 Senescencia o envejecimiento celular Muerte celular

Tema4. Reproducción

Unidad 3

Evolución 146 Actividad de apertura Tema1. Origen e historia de la vida

148 149

Evolución química y biológica, según A. I. Oparin

149

Teoría de la endosimbiosis de Lynn Margulis

151

Tema2. Darwin y la evolución

154

Variabilidad genética

156

Herencia de las variaciones

157

120

Genética mendeliana

157

121

Teoría cromosómica

159

122

Tipos de reproducción

122

Reproducción en plantas

123

Sistema reproductor masculino de mamíferos

124

Sistema reproductor femenino de mamíferos

125

Mecanismos de adaptación La descendencia

Tema3. Genética y evolución Tema4. Origen de las especies Tema5. Clasificación taxonómica

160 161

163 167 170

Fecundación 125

Dominio Archaea o Arquea

172

Desarrollo embrionario

Dominio Bacteria

173

127

Tema5. Irritabilidad

129

Sistema nervioso

129

Proceso sensorial y respuesta motora

130

Procesamiento de la información

131

Interacciones entre el sistema endocrino y el nervioso

132

Respuesta inmunitaria

134

Tema6. Homeostasis

135

Evolución del sistema cardiovascular

135

La sangre y el corazón

136

Sistema linfático

138

Tasa metabólica y regulación de la temperatura

139

Equilibrio hídrico

140

Tema7. Excreción

142

Papel de la excreción en el equilibrio hídrico

142

Riñón de los vertebrados

143

Actividad de cierre

145

Dominio Eucarya o Eucariota

Tema6. Microbiología y evolución Tema7. Evolución vegetal, animal y humana

173

176 178

Evolución vegetal

178

Evolución animal

181

Evolución humana

183

Actividad de cierre

185

Instrumentos de evaluación Evaluación final Fuentes consultadas

186 190 192

Conoce Tu libro entrada de unidad Indica el título de la unidad que se va a estudiar.

Introducción Texto que incluye una breve explicación de lo que se estudiará a lo largo de la unidad.

mapa conceptual Permite visualizar de manera sintética los temas más importantes de la unidad.

Actividades DE APERTURA

Se incluyen al inicio de cada una de las unidades con el fin de que el alumno estudie los temas de la unidad en torno a un tema integrador.

Temas Incluyen el desarrollo de cada uno de los temas planteados en el índice.

Figuras Imágenes que refuerzan la información, ilustran y hacen más llamativo el texto.

Actividades de desarrollo Corresponden a diversas actividades intercaladas en el desarrollo de los temas, las cuales se relacionan con el tema integrador planteado en cada unidad.

En la web Recomendación de sitios web relacionados con los temas de la materia.

¡AplÍcalo! En esta sección se plantean situaciones de la vida cotidiana en las que los alumnos podrán aplicar los conocimientos que adquirieron.

INFOGRÁFICOS Permiten visualizar información trascendente de la materia, con imágenes y elementos gráficos adicionales que fortalecen el aprendizaje.

lecturas

Ofrecen información adicional sobre algún tema de interés. Además refuerzan los temas de estudio y van acompañadas de actividades que sirven para desarrollar competencias.

actividades de cierre Series de ejercicios que tienen la finalidad de evaluar el conocimiento adquirido en cada unidad.

instrumentos de evaluación Integran listas de cotejo, rúbricas, guías de observación, etc., útiles para detectar cuáles fueron las competencias que los alumnos adquirieron durante el estudio de cada unidad.

Competencias genéricas G

Con atributos

Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue.

Experimenta el arte como un hecho histórico compartido que permite la comunicación entre individuos y culturas en el tiempo y el espacio, a la vez que desarrolla un sentido de identidad.

Valora el arte como manifestación de la belleza y expresión de ideas, sensaciones y emociones.

Reconoce la actividad física como un medio para su desarrollo físico, mental y social.

Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo.

Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas.

Aplica distintas estrategias comunicativas según quienes sean sus interlocutores, el contexto en el que se encuentra y los objetivos que persigue.

Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos.

Identifica sus emociones, las b maneja de manera constructiva y reconoce la necesidad de solicitar apoyo ante una situación que lo rebase.

Participa en prácticas relacionadas con el arte.

Elige y practica estilos de vida saludables.

Se comunica en una segunda lengua en situaciones cotidianas.

Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.

Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas. Identifica las ideas clave en un texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas. Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones.

Elige alternativas y cursos de acción con base en criterios sustentados y en el marco de un proyecto de vida. Analiza críticamente los factores que influyen en su toma de decisiones.

Asume las consecuencias de sus comportamientos y decisiones.

f Administra los recursos disponibles teniendo en cuenta las restricciones para el logro de sus metas.

Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros.

Cultiva relaciones interpersonales que contribuyen a su desarrollo humano y el de quienes lo rodean.

Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados.

Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos.

Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez.

Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas. Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información.

Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general,considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva.

Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad.

Identifica las actividades que le resultan de menor y mayor interés y dificultad, reconociendo y controlando sus reacciones frente a retos y obstáculos.

Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento.

Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana.

d Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética.

Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.

Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva.

Actúa de manera propositiva frente a fenómenos de la sociedad y se mantiene informado.

f Advierte que los fenómenos que se desarrollan en los ámbitos local, nacional e internacional ocurren dentro de un contexto global interdependiente.

Toma decisiones a fin de contribuir a la equidad, bienestar y desarrollo democrático de la sociedad.

Privilegia el diálogo como mecanismo para la solución de conflictos.

Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

d Contribuye a alcanzar un equilibrio entre el interés y bienestar individual y el interés general de la sociedad.

Conoce sus derechos y obligaciones como mexicano y miembro de distintas comunidades e instituciones, y reconoce el valor de la participación como herramienta para ejercerlos.

Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo.

G10

Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. b Reconoce y comprende las implicaciones biológicas, económicas, políticas y sociales del daño ambiental en un contexto global interdependiente.

a Asume una actitud que favorece la solución de problemas ambientales en los ámbitos local, nacional e internacional. c

b Dialoga y aprende de personas con distintos puntos de vista y tradiciones culturales mediante la ubicación de sus propias circunstancias en un contexto más amplio.

Reconoce que la diversidad tiene lugar en un espacio democrático de igualdad de dignidad y derechos de todas las personas, y rechaza toda forma de discriminación.

Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relación al ambiente.

Reconoce los propios prejuicios, modifica sus puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta.

Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos.

Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.

Evalúa argumentos y opiniones e identifica prejuicios y falacias.

G11

Asume que el respeto de las diferencias es el principio de integración y convivencia en los contextos local, nacional e internacional.

Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.

Articulación entre las competencias disciplinares y las competencias genéricas Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos.

Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas.

Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

G1d G5c G7c G9d G10a G11c G4a G6a G9b G9e G10b G4b G6c G9c

G9f G11b

G1a G4c G9a G10a G11a G4a G6c G9c G10b G11b G4b G7c G9e G10c G1a G4e G5d G6c

G7b

G8c

G4a G5a G5e G6d

G8a

G9b G11c

G4b G5c G6a G7a G8b

G11a

G9e

G1a G1d G4a

G4e G5d G6a G7a G8b G9e

G1b G1e G4b

G5a G5e

G6b

G7c G9b G11a

G1c

G1f

G4c

G5b G5f

G6c

G8a G9c G11c

Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones.

G1a G1d

G4a

G4d G5b

G5f

G6c G8a G9b

G1b G1e

G4b

G4e G5d

G6a G6d

G1c

G4c

G5a G5e

G6b

Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas.

G1b G6b G8b G10a

Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos.

G4c

G1f

G6c G8c G10b

G6a G7c G9a G10c G1a G4e G6d G11c G4a G6b G10b G4b G6c G11a

G7a

G8b G11a G9a G11c

En la siguiente tabla se puede ver la articulación entre las competencias disciplinares básicas de las ciencias experimentales y las competencias genéricas. En la tabla anterior podemos ver que las genéricas se identifican con la letra G y sus atributos con letras minúsculas. Por otra parte, las competencias disciplinares se identifican aquí con la letra D.

G8b G4a G4b

Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas.

Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos.

Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

D10

G4e G10b G10c

G8b G8c G10a

G5f

G4e

G2a

G1d

G1a

G7a

G5a

G4a

G1e

G1b

G1f

G1c

G8a

G5d

G4b

G6a G4a G5c G5d G11c

G7c

G10b

G9c

G1a

G10c

G9e

G1d

G11a

G9f

G5c

G3b G2b

G1e G1a

G3c G2c

G1f

G7b G3a

G2a G1d

G1c

G7c

G1d

G9f

G3c

G11b G5c G9b

G1a

G11a G1e G5a

Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental

D11

Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

D12

Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los sistemas vivos.

D13

Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana.

D14

Organizaci贸n de la materia viva

La materia viva es extremadamente compleja y diversa; por ello necesitamos estudiarla según su organización en niveles para poder entenderla. La observación y el estudio de un ser vivo, por ejemplo un animal, podemos hacerlo desde diferentes puntos de vista: considerar las relaciones que establece con otras especies (si es depredador o presa); estudiar su anatomía o morfología

para ver cómo está formado; incluso analizar la composición química de algunas de sus células y cómo cambia en función del momento metabólico en que se encuentre. Por ello resulta determinante conocer los niveles de organización de la materia, ya que el mundo está formado de materia. La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Tema integrador: salud y biodiversidad

organización de la materia viva la materia viva está formada por

bioelementos por su abundancia son

primarios

secundarios si su proporción es muy pequeña son

establecen enlaces químicos

oligoelementos

que forman biomoléculas

de tipo agua sales minerales

son

inorgánico

glúcidos lípidos proteínas ácidos nucleicos

son

orgánico

de función estructural energética dinámica

Actividad de apertura

Las Naciones Unidas proclamaron el 2010 como el Año Internacional de la Diversidad Biológica. Esta diversidad, que abarca a todos los seres vivos, incluye las diferencias genéticas dentro de cada especie y la variedad de los ecosistemas y, precisamente debido a ella, podemos contar con los recursos que han servido de base a todas las civilizaciones, incluyendo la actual; se han desarrollado múltiples actividades como la agricultura, la industria farmacéutica, la industria de pulpa y papel, la horticultura, la construcción, el tratamiento de desechos, etc., sin las cuales no es posible el desenvolvimiento y la existencia de los seres humanos. Sin embargo, en la actualidad nos enfrentamos a la pérdida de esta biodiversidad, lo cual amenaza el suministro de alimentos, las posibilidades de recreo y turismo, las fuentes de madera, medicamentos y energía, entre otros efectos que atentan contra la existencia de todos los seres vivos. Muchas actividades humanas dirigidas al desarrollo pueden afectar la biodiversidad biológica de manera negativa; entre ellas se encuentran: •L abores agrícolas y ganaderas que implican: el desmonte de tierras, la eliminación de tierras húmedas, la inundación de lugares para riego, el desplazamiento de la vida silvestre mediante cercos, el uso intensivo de pesticidas y la introducción del monocultivo de productos comerciales en lugares que antes dependieron de un gran surtido de cultivos locales para la agricultura de subsistencia. • Trabajos en la piscicultura que comprenden: la transformación de importantes sitios naturales de reproducción o crianza, la pesca excesiva y la introducción de especies exóticas en ecosistemas acuáticos naturales. •E stablecimiento de empresas de explotación forestal que incluyen: la construcción de caminos de acceso, el corte intensivo de árboles y el establecimiento de industrias para productos forestales que generan más puestos de trabajo cerca del sitio de la compañía. •C onstrucción de caminos principales, puentes, caminos rurales o canales, que facilitan el acceso a diversas áreas naturales. •C analización de los ríos. •A ctividades de dragado y relleno en tierras húmedas costeras o del interior. •C onstrucción de presas que provocan importantes desviaciones del agua, inundaciones u otras transformaciones de áreas naturales acuáticas o terrestres. •R iego y otros proyectos de agua potable. •E stablecimiento de empresas en parques naturales. •C onversión de recursos biológicos en combustibles o en alimentos a escala industrial. I. Investiga en los diferentes medios a tu alcance (revistas, periódicos e Internet) cómo influyen en la biodiversidad biológica las actividades humanas mencionadas arriba. II. Como resultado de tu investigación, responde: 1. ¿Qué genera en el ecosistema la pérdida de biodiversidad?

2. ¿Cuáles de estas actividades conoces y cuántas se realizan en tu localidad?

3. ¿Qué efectos pueden tener estas actividades en nuestra salud?

tema 1

Un vistazo a la vida

La biología es la ciencia que estudia la vida. Es una ciencia porque se basa en la observación de la naturaleza y en la experimentación para explicar los fenómenos. Aborda las características y los comportamientos de los organismos individuales y de las especies en conjunto; su anatomía, sus funciones, las interacciones entre ellos y el entorno. Analiza la estructura y la dinámica funcional común a todos los seres vivos, con el objetivo de establecer las leyes generales que rigen la vida orgánica. Abarca campos de estudio que muchas veces son considerados disciplinas independientes. Por ejemplo, la biología molecular, la bioquímica y la genética molecular se encargan del estudio de los seres vivos en los niveles atómico y molecular; la biología celular lo hace a este nivel; la fisiología, la anatomía y la histología, los estudian en el nivel pluricelular; la genética investiga los mecanismos de la herencia de los padres a su descendencia; la ecología se encarga de la interrelación en las poblaciones y de sus hábitats.

¿Cómo definir el concepto vida?

La vida en la Tierra adquiere una asombrosa variedad de formas y conductas. Por ejemplo, algunas especies de hongos son capaces de producir billones de esporas para reproducirse. Las orquídeas del género Ophrys semejan una hembra de abeja, con la intención de que el macho, al intentar copular con ella, la polinice. Los pulpos y calamares tienen una increíble capacidad para “resolver problemas”, e incluso, repetir rutinas, como lo pudimos ver en el caso del ya famoso “Pulpo Paul”, que supuestamente adivinó los ganadores de algunos partidos del pasado mundial de futbol, celebrado en Sudáfrica, a pesar de tener un cerebro muy pequeño. Algunas bacterias pueden completar todo su ciclo de vida en 15 minutos, mientras que algunos pinos viven tanto como diez generaciones de humanos. Desde la profundidad de los océanos hasta las capas altas de la atmósfera, la vida prolifera. En el infográfico 1 se muestran ejemplos de los grandes grupos en que se clasifican los organismos. Debido a la amplia diversidad de los seres vivos, no es fácil alcanzar una definición de vida que resulte sencilla. Tradicionalmente el concepto vida ha sido abstracto, difuso y de difícil definición; por esta razón, se solía exponer como lo contrapuesto a lo que no tiene vida o lo inerte, con lo cual se consideraban especialmente las propiedades diferenciadoras. Lo que más confundía eran las estructuras víricas, que no comparten todas las propiedades más comunes del resto de las estructuras vivas. Asimismo, tampoco estaba clara la frontera entre la vida y la muerte, y se hacía difícil determinar cuándo acontecía exactamente esta última.

Biología

Infográfico1

Clasificación de los organismos 1. Bacterias. Organismos unicelulares que carecen de núcleo (procariontes). Se clasificaban antes en el reino Monera y son los organismos más antiguos (3 500 millones de años). Hay bacterias que sintetizan su propio alimento a partir del dióxido de carbono, como las cianobacterias, las bacterias verdes del azufre y algunas bacterias púrpuras. Otras utilizan nitrógeno o azufre. 2. Arqueas. Organismos unicelulares que al igual que las bacterias carecen de núcleo (procariontes, algas azul-verdosas). Antes se incluían en el reino Monera, junto con las bacterias, pero estudios recientes demuestran diferencias con las bacterias y afinidades con el dominio Eucariota. Difieren de las bacterias en la composición de su pared celular y de algunos de sus organelos, y en sus procesos genéticos.

1 2 3

3. Eucariota. Organismos celulares con núcleo: protozoarios, algas unicelulares, hongos, plantas y animales, que antes se incluían en cuatro reinos: Protista, Fungi, Plantae, Animalia. Los dominios se dividen en reinos, y sucesivamente en phila (singular philum), clase, orden, familia, género y especie. En las plantas y en los hongos la categoría phila se conoce con el nombre de división. Ejemplos de phila son: moluscos (caracoles, almejas, pulpos), equinodermos (estrellas, erizos de mar) y artrópodos (insectos, arañas, cangrejos). Ejemplos de divisiones son: Briofitas (musgos), Pteridofitas (helechos), Magnoliofitas (plantas con flores).

El término vida (del latín vita), desde el punto de vista de la biología, que es el más usado, alude a aquello que distingue a los reinos animal, vegetal, hongos, protistas, arqueas y bacterias del resto de manifestaciones de la naturaleza. Implica las capacidades de nacer, crecer, reproducirse y morir, y, a lo largo de sucesivas generaciones, evolucionar. La definición universal de vida se planteaba como algo bastante más complejo y difícil. Se ofrecían diferentes definiciones y era cuestión de gusto dar por buena una u otra. En cualquier caso, el concepto de vida ha seguido una evolución paralela a la de la ciencia que se dedica a su estudio, la biología. Desde hace tiempo se afirma que los seres vivos son sistemas químicos cuyo fundamento son cadenas de átomos de carbono, ricas en hidrógeno, que se distribuyen en compartimentos llenos de disoluciones acuosas, separados por membranas funcionalmente asimétricas cuya zona interior es hidrófoba. Esos compartimentos constituyen células o forman parte de ellas, las cuales se originan por división de células anteriores; de este modo se produce el crecimiento y también la reproducción de los individuos. La multitud de sistemas conforma a los llamados organismos.

U1 Organización de la materia viva

Por otra parte, la materia está formada por átomos. Los seres vivos, como materia que somos, estamos también formados por átomos, llamados bioelementos, que se combinan formando biomoléculas. Los átomos que componen a los seres vivos se encuentran por todo el universo, pero en la materia inerte se hallan en distinta proporción que en la materia viva. Es indudable que la vida es algo más que simple materia, pero es importante conocer cómo están estructurados los elementos que la componen, para poder comprenderla mejor y entender sus funciones. En el cuadro 1 se muestran esos niveles de organización de la materia viva y las ciencias que se dedican a su estudio. Cuadro 1. Niveles de organización de los sistemas vivos y ciencias que los estudian Niveles estructurales de los sistemas vivos

Ciencias que los estudian

Partículas elementales o subatómicas

Física cuántica, física de partículas

Átomos

Química, física

Moléculas

Física, química, bioquímica, biología molecular

Orgánulos

Biología molecular, biología celular

Células

Biología celular, citología

Tejidos

Histología

Órganos

Histología, fisiología

Sistemas y aparatos

Fisiología, anatomía

Organismos

Anatomía, etología, psicología

Población

Etología, sociología

Comunidad

Ecología

Ecosistema

Ecología

Biosfera

Ecología

Niveles de organización

Todos los organismos se encuentran conformados por unidades fundamentales llamadas células, las cuales son capaces de desempeñar por sí mismas las funciones que el organismo ejecuta. Los organismos pueden ser unicelulares o multicelulares. Las células se organizan en tejidos, los tejidos en órganos y los órganos en sistemas. A continuación abordaremos con más detalle estos niveles de organización de los seres vivos. La complejidad de los seres vivos afecta a las moléculas que los componen y al modo en que estas se organizan en macromoléculas hasta llegar a constituir las diferentes estructuras de los organismos. Al observar la materia viva se pueden distinguir varios grados de complejidad estructural, los denominados niveles de organización. Cada uno de ellos proporciona unas propiedades a la materia viva que no se encuentran en los niveles inferiores. Los siete niveles de organización son: subatómico, atómico, molecular, celular, pluricelular, de población y de ecosistema (infográfico 2). Los niveles subatómico, atómico y molecular son niveles de organización abióticos, es decir, niveles de materia que también existen en los seres inanimados. Los niveles restantes son de tipo biótico, puesto que ya son exclusivos de los seres vivos.

Biología

Infográfico2

Niveles de organización de la materia Con el objetivo de hacer más sencillo el estudio de la naturaleza y los seres vivos, se han establecido diferentes niveles de organización, que van desde los átomos hasta los ecosistemas o la biosfera del planeta. Sin embargo, es importante hacer énfasis en que esta división es artificial, ya que en realidad todos los elementos se encuentran interconectados y dependen unos de otros para su funcionamiento. En las imágenes podrás ver cómo un elemento de un nivel es fundamental para la conformación del siguiente nivel, así que uno no existe sin el otro.

Nivel del organismo (ardilla voladora siberiana)

Niveles ecológicos (población, comunidad, ecosistema)

Nivel atómico (átomo)

Nivel de aparato (sistema nervioso)

Nivel de órgano (encéfalo) Nivel molecular (adn)

Nivel de tejido (tejido nervioso) Nivel celular (neurona)

U1 Organización de la materia viva

Nivel subatómico. Está integrado por las partículas más pequeñas de la materia, como los protones, neutrones y electrones. Nivel atómico. Lo constituyen los átomos, que son la parte más pequeña de un elemento químico que puede intervenir en una reacción; por ejemplo, los átomos de carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H), etc. Nivel molecular. Está formado por las moléculas, que se definen como unidades materiales constituidas por la unión, mediante enlaces químicos, de dos o más átomos; por ejemplo, la molécula de oxígeno (O2), la de carbonato de calcio (CaCO3), etc. Cuando a partir de la combinación de átomos diferentes se forman moléculas, las sustancias resultantes son llamadas compuestos. Un ejemplo típico de compuesto es el agua, integrada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno (H2O). A las moléculas que forman la materia viva se les llama biomoléculas o principios inmediatos, como es el caso de la glucosa. Existen dos clases de compuestos: orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos tienen átomos de carbono en su estructura (por ejemplo, el dióxido de carbono); los inorgánicos no poseen átomos de carbono. Los seres vivos estamos constituidos por compuestos orgánicos. Las moléculas orgánicas principales que al armarse dan lugar a la vida son: los ácidos nucleicos, los carbohidratos, los lípidos y las proteínas; estos compuestos se organizan y constituyen las estructuras de la célula. Nivel celular. Comprende las células, cada una de las cuales es una estructura constituida por tres elementos básicos: membrana plasmática, citoplasma y material genético; cada célula tiene la capacidad de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Se distinguen dos tipos de células: procariotas y eucariotas. • Las células procariotas son aquellas que carecen de envoltura nuclear y, por lo tanto, la información genética se halla dispersa en el citoplasma, generalmente más o menos condensada en una región denominada nucleoide. • Las células eucariotas tienen la información genética rodeada por una envoltura nuclear, por lo que poseen un núcleo bien diferenciado. Los organismos unicelulares están constituidos solamente por una célula, que desarrolla todas las funciones vitales. Son organismos unicelulares procariotas las bacterias y las arqueobacterias o arqueas; son organismos unicelulares eucariotas

los protozoos, las algas y los hongos unicelulares. En ocasiones, los organismos unicelulares se asocian formando colonias, pero estas no se incluyen en el siguiente nivel, el pluricelular, ya que cada célula sigue realizando individualmente todas las funciones. Todas las células de la colonia son similares y mantienen su independencia, aunque puede existir cierta distribución de funciones. Nivel pluricelular. En este nivel se encuentran los seres vivos que están constituidos por más de una célula. Se forman conjuntos de células originados por proliferación de una primera: el cigoto o célula huevo. Todas las células descendientes poseen la misma información genética, ya que reciben copias idénticas de las moléculas de adn de la célula original. No obstante, aunque en un principio son iguales, pronto se inicia un proceso de diferenciación que da lugar a distintos tipos celulares. Dentro de este nivel pueden distinguirse varios grados de complejidad o subniveles: tejidos, órganos, sistemas y aparatos. • Los tejidos son conjuntos de células especializadas muy parecidas, que realizan la misma función y tienen un mismo origen. Cuando un organismo pluricelular solo tiene un tipo de células, se dice que tiene estructura de talo, como ocurre en las algas pluricelulares y los hongos pluricelulares. • Los órganos son las unidades estructurales y funcionales de los seres vivos superiores o más evolucionados. Los órganos están constituidos por varios tejidos diferentes y realizan un acto concreto. Por ejemplo, el corazón está formado por tejido muscular, epitelial y nervioso y se encarga de bombear la sangre en la circulación sanguínea. • Los sistemas son conjuntos de órganos parecidos, ya que están formados por los mismos tejidos, pero que realizan actos que pueden ser completamente independientes. Por ejemplo, en el sistema muscular hay músculos que mueven la cabeza, otros que mueven los brazos, etc. Otros sistemas son el óseo, el nervioso y el endocrino. • Los aparatos son conjuntos de órganos que pueden ser muy diferentes entre sí, pero cuyos actos están coordinados y realizan lo que se llama una función. Por ejemplo, el aparato digestivo está formado por órganos tan diferentes como los dientes, la lengua, el estómago, etc. y todos coordinadamente realizan la función de la digestión.

Biología

Nivel de población. Se entiende por población al conjunto de individuos de la misma especie que viven en una misma zona y en un momento determinado; por ejemplo, una población de conejos que habita en un monte de una localidad determinada. Nivel de ecosistema. Un ecosistema es el conjunto de los seres vivos y factores ambientales que podemos encontrar en una zona determinada, así como las relaciones e influencias que todos los elementos establecen entre sí. El conjunto de ecosistemas de toda la Tierra o biosfera puede ser considerado el nivel más complejo de organización de los seres vivos.

Propiedades emergentes

Ya hemos visto que los seres vivos están organizados en niveles, cada uno de ellos con una complejidad mayor que el anterior. Por

ejemplo, cuando se rompe una célula en pedazos de membrana y porciones de líquidos, estas partes no pueden efectuar las tareas propias de la vida de modo independiente. Si rebanamos un pedazo de carbón, cada una de estas rebanadas sigue siendo un pedazo de carbón. Pero si cortamos una planta viva, y juntamos las partes de nuevo, lo que tendremos es una colección de pedazos de planta que no podrá desempeñar ya más las funciones de una planta completa. En el mundo viviente, el todo es mucho más que la suma de las partes. De cada nuevo nivel de organización biológica emergen nuevas propiedades a causa de la interacción entre las partes, y entre ellas forman un todo. Todas las propiedades, incluso las propiedades emergentes, obedecen a las leyes de la física y de la química.

Actividad de desarrollo

1. A continuación se presentan imágenes de seres vivos y seres no vivos (también llamados inertes). De acuerdo con lo estudiado hasta ahora, escribe debajo de cada uno, dentro del círculo, las letras correspondientes. Seres vivos: V. Seres no vivos: NV. Si tienes dudas: D.

2. Comenta el resultado de tu trabajo con el resto del grupo, previa coordinación con el docente.

U1 Organización de la materia viva

Obtención de materiales y energía por los organismos Todos los seres vivos, sin excepción, realizan funciones indispensables para el mantenimiento de su vida. Piensa en ti mismo. Tú perteneces a un grupo de seres vivos muy especial: el ser humano. Desde que te levantas hasta que te acuestas por la noche, realizas una amplia variedad de actividades y tu cuerpo funciona normalmente sin que tú te des apenas cuenta. Todo lo que has hecho en el día de hoy se puede agrupar en tres funciones básicas: nutrición, relación y reproducción. Los organismos vivos pueden considerarse sistemas químicos complejos que crecen y se mantienen a expensas de la energía y la materia que adquieren del medio ambiente. A pesar de la enorme variedad de especies animales y vegetales que existen en la biosfera, los organismos tienen propiedades comunes en su organización y composición química que son el resultado de una selección natural a lo largo de millones de años. ¿Cómo adquieren los organismos la energía que necesitan para vivir? La consiguen a través del proceso de nutrición, que les aporta principalmente la energía química contenida en los enlaces de distintos compuestos químicos del ambiente. Entonces podríamos preguntarnos: ¿se nutren de igual manera todos los organismos?, ¿cuál es la fuente primaria de energía que usan en la alimentación? El aporte de energía es imprescindible para la realización de todas las actividades de la vida. Con la función de nutrición, el organismo vivo obtiene la materia y la energía que necesita. Sobre la base de este criterio, existen organismos autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos sintetizan sus propias sustancias a partir de elementos inorgánicos, tales como luz, minerales del suelo, dióxido de carbono (CO2), agua (H2O); de ahí que no dependan de otros organismos para su nutrición. En cambio, los animales se pasan la mayor parte de su vida buscando alimento para vivir.

CO2

Sol

captación de energia

energía

H2O

CO2 + H2O

nutrientes orgánicos Figura 1. Nutrición autótrofa fototrófica o fotosintetizadora.

Lo que se conoce como la función de nutrición incluye varios procesos: la captación de nutrientes, su transformación, su distribución a todas las células y la eliminación de sustancias de desecho que se producen como resultado del uso que se hace de los nutrientes en las células. Esto es común a animales y vegetales. El cuerpo de los seres vivos tiene órganos y aparatos especializados en la realización de estas tareas; estos aparatos son el digestivo, respiratorio, circulatorio y excretor. En los seres vivos existe materia inorgánica o mineral (agua y sales minerales) y materia orgánica (azúcares, grasas y proteínas). Los organismos productores transforman la materia inorgánica en orgánica mediante la fotosíntesis; estos son los organismos autótrofos (figura 1). Esta materia orgánica pasa de unos consumidores o heterótrofos a otros a través de las

Biología

cadenas tróficas o de alimentación. Cuando mueren los organismos consumidores y los productores, o cuando eliminan de su cuerpo los productos de desecho, estas sustancias devuelven al suelo la materia mineral mediante la participación de los organismos descomponedores. Este ciclo de la materia permite el mantenimiento del equilibrio en la naturaleza. En contraste con los organismos autótrofos, los heterótrofos son incapaces de sintetizar sus propios alimentos. El mantenimiento de su vida requiere que ellos obtengan del ambiente sustancias inorgánicas, como agua, sales minerales y materias orgánicas prefabricadas. Por tanto, la supervivencia de los heterótrofos depende completamente de la existencia de los autótrofos, ya que estos constituyen la fuente de materia orgánica que los heterótrofos necesitan. En la naturaleza se establece un equilibrio dinámico entre todos estos organismos, lo cual facilita su existencia y, por tanto, la conservación de la vida. Los seres humanos y casi todas las especies animales son heterótrofos. A través de los alimentos que consumen –constituidos por carbohidratos, proteínas, grasas, etc.– obtienen energía y materiales necesarios para la formación y la reparación de sus componentes. La mayoría de estos alimentos no pueden utilizarse directamente, sino transformados de forma tal que las moléculas grandes sean degradadas a moléculas más sencillas. Para ello, en estos organismos se han desarrollado adaptaciones que comprenden los procesos de ingestión, digestión y absorción de sustancias, así como su distribución por todo el organismo. Los hongos y muchas de las bacterias son también heterótrofos, pero carecen de un aparato adecuado para la digestión interna de las partículas de materia orgánica que encuentran en su ambiente. Estos organismos toman su alimento de sustratos muertos y se auxilian de la secreción de enzimas, mediante las cuales solubilizan las sustancias carbonadas y nitrogenadas de los restos de vegetales y animales, y luego las absorben. Este tipo de nutrición se denomina heterótrofa saprofítica y es esencial en el sostenimiento del equilibrio en la naturaleza. La división entre organismos autótrofos y heterótrofos no es tan absoluta como a primera vista pudiera parecer. Existen organismos que pueden realizar al mismo tiempo ambos tipos de nutrición, como ocurre en algunos flagelados verdes, como la euglena, y en las plantas carnívoras o insectívoras. Puede afirmarse entonces que la nutrición y la obtención de energía tienen mucho en común, y que gracias a estos procesos, todos los seres vivos pueden desempeñar su papel dentro del ciclo de la naturaleza y permitir la incorporación, transformación y utilización eficiente de la energía.

Homeostasis

La homeostasis es el equilibrio en un medio interno, como por ejemplo el de nuestro cuerpo. En el organismo se producen respuestas adaptativas con el fin de que se mantenga la salud. Los mecanismos homeostáticos actúan mediante procesos de retroalimentación y control. Cuando por determinadas causas se produce un desequilibrio interno, estos procesos se activan para restablecer el equilibrio. Para que las células de nuestro cuerpo puedan vivir y funcionar correctamente tienen que mantenerse en un ambiente de condiciones constantes, tanto en el interior celular como en el líquido extracelular.

U1 Organización de la materia viva

En los animales existen básicamente dos tipos de mecanismos homeostáticos efectores: • Mediante vías nerviosas (impulsos nerviosos); ejemplos de estos son la regulación de la presión arterial en los mamíferos en general y en el ser humano en particular, y el mantenimiento de la concentración de oxígeno y de dióxido de carbono (CO2) en su sangre. • Mediante vías endocrinas (hormonas); algunos ejemplos son la regulación de la concentración de glucosa en sangre, el mantenimiento de las relaciones entre hidratos de carbono, proteínas y grasas y el control de los efectos de la alimentación y del ayuno en el cuerpo.

Dieta Hidratos de carbono

Glucogénesis

Glucogenólisis

Orina

Nivel de glucosa

Metabolismo del cerebro

La mayoría de los sistemas homeostáticos complejos de nuestro cuerpo se desencadenan a partir de la acción de una glándula del cerebro llamada hipotálamo. En la figura 2 se observa cómo el organismo regula la concentración de glucosa en la sangre. Todas las células requieren una fuente continua de energía metabólica, que puede fluctuar según su actividad funcional. En los mamíferos esta energía es proporcionada a la célula, principalmente, en forma de glucosa, por lo que resulta indispensable que en el cuerpo se mantengan niveles equilibrados de este compuesto en la sangre. La glucosa llega a la sangre a partir de los alimentos que se consumen –principalmente los que son ricos en carbohidratos–, o a partir de los depósitos de glucógeno que posee el propio organismo. El glucógeno se constituye por la glucosa que el organismo no emplea inmediatamente, sino que la almacena; este proceso se denomina glucogénesis. La descomposición de glucógeno en glucosa se realiza mediante el proceso de glucogenólisis, con el cual la glucosa queda lista para ser empleada.

Respuestas de los organismos

Glucosa

Depósito de glucógeno

También hay procesos en los que actúan homeostáticamente nervios y hormonas al mismo tiempo; por ejemplo: la regulación de la obtención de energía a partir de los alimentos (energía química) y el mantenimiento de la temperatura interna del cuerpo.

Metabolismo de los tejidos

Los seres vivos mantienen una íntima relación con el medio en el que viven. Por ello, cualquier cambio en el entorno provoca en estos adaptaciones para sobrevivir. Algunas veces, el instinto heredado les indica lo que deben hacer para adaptarse. En otros casos, reaccionan de forma inmediata según las circunstancias de su entorno. Los cambios en el hábitat constituyen estímulos para los seres vivos; ejemplos de estímulos son las variaciones en las condiciones del agua, en la intensidad o la cantidad de luz; la presencia de nuevas sustancias químicas; los cambios de temperatura, etc. Los seres vivos responden de diferentes maneras a los estímulos del entorno, dan diferentes respuestas; las de los animales se llaman tactismos, y las de los vegetales, tropismos.

Reproducción y desarrollo en las plantas

Figura 2. Ejemplo de homeostasis para la regulación de la concentración de glucosa en la sangre en los dos casos: la glucogenólisis se activa cuando existe poca cantidad de azúcar en sangre; la glucogénesis sucede cuando es grande la cantidad de azúcar en sangre.

Las plantas originan seres semejantes a través de la reproducción, que puede ser sexual o asexual. La reproducción sexual requiere que posean órganos reproductores femeninos y masculinos, los cuales se encuentran en la flor. En la reproducción asexual las nuevas plantas se forman de los tallos subterráneos como los rizomas, los bulbos y los tubérculos, o a partir de trozos de tallos aéreos.

Biología

La fecundación es una parte de la reproducción sexual de las plantas. En la flor se encuentran los órganos masculinos o estambres, donde se forma el polen, y el órgano femenino o pistilo donde se producen los óvulos. El polen y los óvulos son las células sexuales o los gametos de las plantas. El origen de una nueva planta implica la unión previa del polen con los óvulos. Esta unión se conoce como fecundación y se realiza de la siguiente manera: • En las anteras de los estambres se forman los granos de polen, que al madurar caen en el estigma del pistilo, y polinizan la planta. • El grano de polen forma un tubo polínico por el que desciende su núcleo hacia el núcleo del óvulo y propicia que se realice la fecundación. • El óvulo, después de fecundado, crece y se convierte en semilla, mientras que el ovario que lo contenía se transforma en fruto. El desarrollo de las plantas tiene lugar a partir de la semilla, mediante el proceso de la germinación. Las semillas están constituidas por el embrión, los cotiledones y el tegumento. El embrión es una planta en miniatura formada por una raíz muy pequeña o radícula, un tallito y unas hojitas o gémula. El embrión está rodeado por sustancias alimenticias de reserva que forman los cotiledones y se protegen con una envoltura externa o tegumento. Cuando la semilla cae al suelo, si existen las condiciones adecuadas de humedad y temperatura, empieza a germinar así: el tegumento se rompe y la radícula crece hacia el suelo buscando fijación y alimento; el tallo y las hojas crecen en busca de la luz; los cotiledones disminuyen de tamaño a medida que la planta crece.

Reproducción y desarrollo en los animales

Los animales se reproducen sexualmente aunque en algunas especies inferiores existen variantes de este tipo de reproducción sexual por medio de la gemación, como sucede en la hidra (un organismo acuático), en la cual los nuevos individuos surgen como abultamientos del adulto que luego se desprenden y llevan vida libre. En la reproducción sexual, las células reproductoras o gametos son el óvulo y el espermatozoide, los cuales son producidos por órganos del aparato reproductor: los óvulos (gametos femeninos), por los ovarios, y los espermatozoides (gametos masculinos), por los testículos. Algunos animales como la lombriz y el caracol poseen ovarios y testículos que producen los dos tipos de gametos. Por eso se llaman animales hermafroditas.

La fecundación o fertilización es la unión del óvulo con el espermatozoide, que da origen a un nuevo ser. En la mayoría de los animales acuáticos, la hembra y el macho sincronizan la postura de sus gametos, que son liberados en el agua y fecundados externamente. En los animales terrestres la fecundación es interna: se realiza dentro del cuerpo de la hembra, de modo que el macho deposita los espermatozoides en el aparato reproductor femenino mediante la copulación o apareamiento. La unión de los gametos en la reproducción animal provoca la formación del huevo o cigoto, que se desarrolla por la multiplicación de sus células y da lugar al embrión. En los animales ovíparos el desarrollo del embrión ocurre fuera del cuerpo de la madre, en el interior de un huevo, como sucede en las aves y en los insectos. En los vivíparos, como los mamíferos, el embrión se desarrolla dentro del cuerpo de la madre. Ocurre en algunos animales, como anfibios e insectos, que el ser que se forma dentro del huevo tiene una apariencia diferente a la de sus padres, por lo cual experimenta varios cambios antes de convertirse en adulto. Este proceso de desarrollo se denomina metamorfosis. Por ejemplo, en la rana, del huevo emerge un renacuajo que sufre varios cambios hasta llegar a adulto. En la mariposa y otros insectos, existe primero una larva que forma un capullo (ninfa o pupa), y dentro de este la larva se transforma en mariposa.

Adaptaciones

Las adaptaciones, desde el punto de vista de la biología, son las características desarrolladas por los organismos, mediante selección natural, y a través de muchas generaciones, que les permiten enfrentarse a las condiciones ambientales, sobrevivir y reproducirse. En la actualidad es ampliamente aceptada por la mayoría de la comunidad científica la teoría que avala la evolución de los seres vivos. Más allá de los mecanismos de adaptación, las características de los seres vivos están estrechamente ligadas a las del ambiente en el que habitan. Esto quiere decir que todos los seres vivos han experimentado y experimentan aún, procesos evolutivos que permiten su adaptación al medio ambiente. Las adaptaciones desarrolladas por cada especie pueden ser clasificadas en tres grupos: morfológicas, fisiológicas y etológicas. Las adaptaciones morfológicas están relacionadas con la forma de los organismos completos, sus diferentes órganos o partes de sus estructuras; las fisiológicas, con el metabolismo y el funcionamiento interno de diferentes órganos o partes del individuo; y las etológicas son las que atañen al comportamiento de los integrantes de la especie.

U1 Organización de la materia viva

Actividad de desarrollo

1. Describe en tu cuaderno, mediante ejemplos, en qué consiste la homeostasis. 2. Investiga el tipo de reproducción de alguna especie animal de tu interés: cómo son sus órganos reproductores, cuidado que brindan a la cría, cómo se realiza el cortejo (según la especie que selecciones). Escribe un resumen en tu cuaderno. 3. Indaga cuáles son los factores que favorecen la dispersión de las semillas de las plantas y algunos ejemplos de adaptaciones que favorecen este proceso. Complementa tus investigaciones con imágenes o dibujos y llévalos a la clase para compartir tus resultados con tus compañeros. 4. Elabora una conclusión escrita sobre la importancia de la reproducción en los seres vivos.

Organización de la biosfera Figura 3. La organización de la biosfera incluye el agua (hidrosfera), el aire (atmósfera) y la tierra (litosfera).

LAS GEOSFERAS comprenden la

atmósfera

litosfera

hidrosfera

se subdivide en capas

consta de tres capas

comprende capa donde se desarrollan

troposfera

capa superficial

aguas continentales

estratosfera

corteza continental

aguas marinas

ionosfera

capa oceánica

exosfera Figura 4. Constituyentes de las geosferas.

biosfera

los seres vivos

Se designa con el nombre de biosfera al conjunto de todos los biomas del planeta. Los biomas son áreas climáticas de características particulares donde viven comunidades de seres vivos determinados. Según este criterio, la biosfera se divide en áreas según las condiciones ambientales, determinadas fundamentalmente por el clima. En nuestro planeta existen tres geosferas, cada una con características propias y relacionadas entre sí: litosfera, hidrosfera y atmósfera. El fenómeno de la vida imprime características particulares a las regiones de la Tierra donde se desarrolla; se forma así una cuarta geosfera, la biosfera, que corresponde a toda la zona de aire, tierra y agua de la superficie terrestre ocupada por seres vivientes (figura 3). La biosfera abarca zonas de la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera, donde es posible la vida. En la figura 4 se indican las partes incluidas en cada una de estas geosferas. La biosfera es una delgada capa de dimensiones irregulares, que se extiende hasta unos 10 km del nivel del mar y algunos metros por debajo del nivel del suelo, hasta donde llega la penetración de las raíces de las plantas y existen microorganismos. Comprende, además, las aguas superficiales y las profundidades oceánicas. Se considera que fuera de esta capa no existen formas de vida terrícola. La vida en la biosfera no se presenta como una capa continua, sino que se manifiesta en los individuos pertenecientes a unos dos millones de especies conocidas. La biosfera

Biología

es un claro ejemplo de lo que constituye un sistema, porque está integrada por un conjunto de componentes que se relacionan entre sí y, a su vez, influyen sobre elementos que no pertenecen al conjunto, y reciben información de ellos. Entre estos componentes están el agua, el suelo, el aire y los seres vivos. En la biosfera se reconocen dos grupos de factores: bióticos y abióticos. Los bióticos están representados por las comunidades de seres vivos: productores, consumidores y descomponedores. Los abióticos están constituidos por el medio fisicoquímico: oxígeno, agua, temperatura, iluminación, etc. El conjunto de todos los factores, bióticos y abióticos, constituye el ambiente.

Clasificación de los seres vivos

El estudio de la amplísima variedad de seres vivos que pueblan la Tierra nos obliga a clasificarlos. El sistema de clasificación actual sigue el criterio de agruparlos atendiendo a su parentesco evolutivo; con ello se pretende reflejar la historia natural de las especies, vincularlas desde el punto de vista evolutivo. Es necesario aplicar un nombre concreto a cada especie, el cual debe ser el mismo en todos los países y regiones del mundo, independientemente del idioma que allí se utilice. Para ello existen reglas en los códigos de nomenclatura. La realidad nos enseña que, aunque se buscan los mismos fines, existen diferentes clasificaciones. Posiblemente, ninguna de ellas sea la definitiva. ¿Sabes qué es el diente de león? ¿Y la achicoria amarga? ¿O el taraxacón? Los tres nombres corresponden a la misma planta. Hace ya tiempo, en el siglo xviii, un médico y naturalista sueco de nombre Carl von Linneo (1707-1778), se planteó el problema de nombrar a los organismos. Las plantas y los animales que conocía recibían distintos nombres en distintas regiones de su país. Cuando quería hablar de alguna especie con otros científicos no sabía cómo referirse a ella. Fue por ello que ideó un sistema que en la actualidad se denomina nomenclatura binomial. Consiste en asignar a las distintas especies un nombre formado por dos palabras. El primer nombre se empieza a escribir con mayúscula y nos informa del género al que pertenece el individuo que se nombra; el segundo nombre se escribe con minúscula y nos informa de alguna característica del propio individuo. Estos dos nombres resaltan del resto de las palabras porque tienen una estructura latina, por lo que deben escribirse en letras cursivas. Por ejemplo, el gorrión se nombra Passer domesticus; el pulpo, Octopus vulgaris; el pino de Monterrey, Pinus radiata. Cuando un investigador descubre una especie que no ha sido clasificada

con anterioridad, tiene el honor de ponerle nombre. Un científico inglés se tomó la nomenclatura binomial con un extraño sentido del humor, y dio nombre a varias especies de pulgones, chinches y gorgojos utilizando la terminación “chisme”, que daba el aspecto de tener raíces griegas, pero que en inglés se pronuncia kiss me (bésame). Este sufijo lo completaba con un nombre de mujer. Así, resultaron nombres de especies como Polychisme, Peggychisme, Dolychisme y Ohchisme. ¿Qué piensas de lo anterior? ¿Se te ocurre algún tipo de clasificación para los animales y plantas de tu región, en el caso de que se descubrieran especies nuevas?

Procesos de la ciencia

Son técnicas especiales que se utilizan para desarrollar el método científico. Para resolver problemas en el aprendizaje de las ciencias debemos adquirir una serie de habilidades, destrezas y actitudes relacionadas con la observación, la medición, la clasificación, la formulación de hipótesis, la experimentación, la obtención de conclusiones a través de la inducción o la deducción y el análisis o la síntesis. ¿Alguna vez has tenido que solucionar un problema que se haya planteado en tu entorno? ¿Conseguiste resolverlo? Si no fue así, ¿cuál crees que fue tu error? La próxima vez utiliza un método secuencial y ordenado. ¡Aplica el método científico! Aprende un modo estructurado, racional y objetivo de investigar y buscar soluciones. Descubre el lenguaje que se utiliza en ciencia y comprenderás que no es un código indescifrable, sino un modo de expresar la realidad de forma concisa. Un método es una forma de trabajar ordenada y secuencial, para obtener el mayor rendimiento. El método científico es un procedimiento de trabajo, ordenado en una serie de pasos, con el que se trata de explicar un hecho físico; es el modo en que trabajan los científicos. Comenzó a desarrollarse en el siglo xvi, y uno de sus impulsores fue el físico y astrónomo italiano Galileo Galilei (1564-1642), a quien muchos consideran el padre de la experimentación planificada y sistemática. Los pasos del método científico son: observación de un hecho, búsqueda de datos, formulación de hipótesis, experimentación, y elaboración de leyes, teorías o conclusiones. Observación. En la naturaleza ocurren sucesos que pueden pasar inadvertidos o llamar nuestra atención. Si nos llaman la atención, entonces nuestros sentidos se ponen alerta y observamos. La observación no tiene por qué

U1 Organización de la materia viva

realizarse únicamente con los ojos. También podemos utilizar otros sentidos. Siguiendo los pasos de un científico, se observa el hecho completo y se describe de una forma objetiva y minuciosa. Búsqueda de datos. Un rasgo de inteligencia es la curiosidad; lo más probable es que un suceso que nos llama la atención haya sido descrito antes por otra persona. En las investigaciones, es imprescindible la búsqueda de datos ya conseguidos por otros científicos, y esos podemos encontrarlos en libros, en Internet o preguntando. Una vez obtenidos, hay que clasificarlos con una actitud crítica, ya que no todo lo publicado es correcto. Los datos deben ser recogidos con precisión, tomando en consideración las unidades de medidas convencionales respecto a tamaño, peso, tiempo, etc., que pueden ser comprendidas por todos; estos valores representan magnitudes. El grado de precisión de la medida depende de la atención del observador y del aparato utilizado para medir; los errores de medida disminuyen el grado de precisión del trabajo científico. Formulación de hipótesis. Una vez que se observa el hecho y que se buscan los datos necesarios, se establece la hipótesis (posible explicación). La hipótesis es la explicación personal que se da a las causas que producen un hecho. Toda hipótesis debe ser comprobada para demostrar si es verdadera o falsa. Esto se realiza mediante un experimento. Experimentación. Los experimentos se realizan cuando se ha planteado una hipótesis que queremos comprobar; necesitamos saber si la solución que damos al problema es la correcta. Para ello se proyecta un experimento que verifique nuestra hipótesis. Un experimento requiere las siguientes etapas: • Anotar los materiales necesarios para llevarlo a cabo. • Establecer la metodología que debe seguirse. • Observar su desarrollo, describir cómo transcurre y anotar los datos que se obtienen. • Representar los resultados; realizar gráficas si los datos son objetivos. • Redactar las conclusiones; todo experimento debe tener la característica de la reproducibilidad, es decir, que pueda ser realizado por otras personas, en otro momento, en otro lugar, y que se obtengan los mismos resultados, siempre que se haga bajo las mismas condiciones. En los laboratorios se realizan prácticas experimentales. Para cualquiera de ellas debe prepararse un expediente que contenga los siguientes puntos: • Título de la actividad (nombre que se da al experimento o práctica). • Objetivo (explicación de lo que se quiere conseguir con el experimento). • Resumen del contenido teórico con el que se relaciona. • Material necesario. • Descripción de lo que se va realizando. • Observación de los posibles cambios ocurridos a lo largo del experimento. • Resultados de la práctica. • Conclusión. Elaboración de leyes, teorías o conclusiones. Una vez realizada la experimentación y obtenidos los resultados, hay que escribir la conclusión a la que se arriba, esta debe ser concisa y clara, y cumplirse siempre que se haga el experimento bajo las mismas condiciones. Todas las teorías y leyes elaboradas por los grandes científicos han derivado de conclusiones obtenidas al aplicar el método científico a un determinado hecho natural. Cuando un experimento demuestra que la hipótesis es cierta, la conclusión convierte a la hipótesis en ley o teoría. Si los datos recogidos del experimento demuestran que la hipótesis es falsa, la conclusión indica que hay que desechar la hipótesis y elaborar una nueva, que deberá ser contrastada con un nuevo experimento.

Biología

Actividad de desarrollo

I. Busca cinco minerales y llévalos a la clase. 1. Observa sus características. Para ello puedes emplear algunos de tus sentidos, o todos si fuera necesario (vista, oído, olfato, gusto y tacto). También es posible que requieras algún instrumento para ello. 2. Elabora en tu cuaderno una tabla como la del ejemplo, donde escribas las características de cada mineral. No es necesario conocer los nombres de ellos. Nº ejemplar

Característica reconocida

Sentido utilizado

Objeto utilizado

Color blanco

Vista

Sabor salado

Gusto

Suave al tocarlo

Tacto

Se le puede hacer una raya Vista de color blanco

Vidrio

II. Realicen en parejas la siguiente actividad. 1. Consigan los siguientes materiales: cronómetro, pelotas de goma de diferentes tamaños y grados de elasticidad. 2. Tomen nota del tiempo que requieren las distintas pelotas para detenerse desde el primer bote. 3. Cambien los datos de altura y los de rebote. Introduzcan del modo siguiente los datos para estudiar el comportamiento de las bolas: a. Confeccionen una tabla como la que aparece a continuación con los valores seleccionados y comprobados por ustedes. b. En cada casilla escriban el tiempo transcurrido desde que la pelota hace el primer rebote hasta que se detiene, para cada uno de los valores. c. U na vez recolectados los datos, elaboren una gráfica en la que aparezca en el eje de abscisas (eje x) el valor de la altura, y para el eje de ordenadas (eje y) los valores de rebote. Unan los puntos representados con una línea de distinto color para cada valor de gravedad. Altura en cm

Tamaño 1

Tamaño 2

Tamaño 3

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d. ¿Cuáles son las conclusiones a la vista de los datos obtenidos? A mayor altura.

A mayor valor de tamaño.

III. Busca en Internet el significado de las siguientes palabras (puedes entrar a sitios como el del Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española o a otros que sean confiables desde el punto de vista científico): postulado, axioma, teorema, teoría. Una vez obtenido el significado de estos términos, completa el siguiente crucigrama. 1

3 4

1. Operación destinada a descubrir, demostrar o comprobar fenómenos o hechos. 2. Proposición cuya verdad se admite sin pruebas y que es necesaria para servir de base en razonamientos posteriores. 3. Proposición demostrable partiendo de axiomas. 4. Se establece provisionalmente como base de una investigación. 5. Proposición clara y evidente que se admite sin necesidad de demostración. 6. Conocimiento extraído de la aplicación del método científico.

tema 2

Química básica

La vida es el acontecimiento más extraordinario de la naturaleza, y es producto de relaciones altamente complejas entre elementos y procesos físicos y químicos. Todo organismo vivo está formado por macromoléculas denominadas biomoléculas o moléculas de la vida, que se agrupan en carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, cuya principal particularidad es que en su estructura básica contienen el elemento carbono. Muchas son tan específicas y tan capaces de realizar determinada función, que aparecen tanto en el reino animal, como en el vegetal; un curioso ejemplo es el de la rodopsina, que interviene en el proceso de captura de fotones y que podemos encontrar tanto en una bacteria, como en nuestros ojos.

Bioelementos

De los elementos químicos presentes en la naturaleza, unos 70 forman parte de la materia viva, y solo 30 son esenciales para el desarrollo y el mantenimiento de esta (figura 5). En cantidades variables, a veces infinitesimales, y con diferente composición atómica, intervienen en la constitución de los organismos vivos. Se denominan bioelementos porque a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para la vida: las biomoléculas. Se pueden clasificar de diferentes maneras, pero usualmente lo hacemos en tres categorías, atendiendo a su abundancia en la naturaleza: bioelementos primarios, bioelementos secundarios y oligoelementos (cuadro 2). Cuadro 2. Clasificación de los bioelementos Bioelementos

Porcentaje en la materia viva

Átomos presentes

Primarios

96.0%

C, H, O, N, P, S

Secundarios

3.9%

Ca, Na, K, Cl, Mg

Oligoelementos

0.1%

Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Mo, I, Ni, F, Si

Sodio 22.991

Litio 6.940

3,4

4,5

Protactinio 231.04

Praseodimio 140.907

Dubnio 262

105

Tantalo 180.948

3,5

4,5,6

3,4,5,6

Uranio 238.03

Neodimio 144.24

Seaborgio 263

106

Wolframio 183.85

Molibdeno 95.94

2,3,4,7

4,6,7

3,4,5,6

Neptunio 237.05

Prometio 144.91

Bohrio 264

107

4,6,7

Renio 186.207

Tecnecio 97.907

Manganeso 54.938

Tierras raras

Lantánidos

Actínidos

Otros metales (bloque p)

Niobio 92.906

6,3,2

Cromo 51.996

No metales

Torio 232.04

Cerio 140.12

5,4,3,2

Vanadio 50.941

Semimetales o metaloides

Rutherfordio 261

104

Hafnio 178.49

Circonio 91.224

4,3

7 VIIB

Gases nobles

Actinio 227.03

Lantano 138.905

89-103

57-71 *

Itrio 88.9059

Titanio 47.80

6 VIB

Aún no sintetizados

5 VB

Metales alcalinotérreos

Radio 226.02

Bario 137.33

Escandio 44.96

4 IVB

Metales alcalinos

Estroncio 87.62

Calcio 40.08

Magnesio 24.32

Berilio 9.013

3 IIIB

2,3,4

2,3

2,3,4

2,3

3,4,5,6

Plutonio 244.06

Samario 150.36

Hassio 269.13

Osmio 190.2 108

Rutenio 101.07

Hierro 55.847

VIIIB

2,3

3,4,5

2,3,4,6

2,3

3,4,5,6

2,4

2,3

2,4

2,3

Curio 247.07

Gadolinio 157.25

Ununnilio 281

Uun

110

Platino 195.08

Paladio 106.42

Níquel 58.69

10 VIIIB

1,3

3,4

Berkelio 247.07

Terbio 158.925

Unununio 272

Uuu

Oro 196.97

Plata 107.87

1,2

Cobre 63.546

111

11 IB

Zinc 65.39 2

1,2

Boro 10.811

B 3

1,2,3

2,±4

2,+4

2,4

Einstenio 252.09

Fermio 257.08

100

Erbio 167.26 3

Holmio 164.93

Ununuquadio 289

Uuq

Plomo 207.2 114

Estaño 118.71

Germanio 72.59

Silicio 28.0855

Carbono 12.011

14 IVA

Ununutrio

Uut

Talio 204.38

1,3

1,2,3

Indio 114.82

Galio 69.723

113

Aluminio 26.981

13 IIIA

Masa atómica

Símbolo

Número atómico

Californio 251.08

Disprosio 162.50

Ununbio 277

Uub

112

Mercurio 200.59

Cadmio 112.41

12 IIB

Preparados sintéticamente

Líquido

Gaseoso

Sólido

Colores de símbolos según su estado:

Americio 243.06

Europio 151.96

Meitnerio 266

Iridio 192.22

Rodio 102.90

109

Cobalto 58.933

VIIIB

Elementos de transición

Metales de transición

Francio 223.02

Cesio 132.905

Rubidio 85.4678

Potasio 39.100

Hidrógeno 1.00797

IIA

Metales

tabla periódica de los elementos químicos

±3,5

+3,5

2,3

-1,±2

2,4,6

-2,4,6

2,3

2+4

Nobelio 259.10

102

Iterbio 173.04

Ununhexio

Uuh

116

Polonio 208.98

Telurio 127.60

Selenio 78.96

Azufre 32.066

Oxígeno 15.999

16 VIA

Carbono 12.011

Mendelevio 258.09

Tulio 168.93

101

Ununpentio

Uup

115

Bismuto 208.98

Antimonio 121.75

Arsénico 74.921

Fósforo 30.974

Nitrógeno 14.007

7 ±2,±3,4,5

No metales

Neón 20.179

Helio 4.003

Ununoctio

Uuo

Radón 222.02 118

2,4

Xenón 131.29

Criptón 83.80

Argón 39.948

18 VIIIA

Nombre

Número de oxidación

Laurencio 262.11

103

Lutecio 174.04

Ununseptio

Uus

117

Astato 209.98

85 ±1,3,5,7

Yodo 126.90

53 ±1,3,5,7

Bromo 79.904

Cloro 35.453

±1,3,5,7

Flúor 18.998

-1

35 ±1,3,5,7

17 VIIA

Gases nobles

U1 Organización de la materia viva

Figura 5. La tabla periódica ordena los elementos en columnas y filas de acuerdo con sus propiedades químicas. Se puede observar que los bioelementos están agrupados en los primeros periodos.

Biología

en la web En las siguientes direcciones puedes ampliar tus conocimientos sobre los elementos esenciales para la vida. Elementos esenciales para la vida: www.puc.cl/sw_educ/qda1106/CAP1/1C/index.htm • Silicones: pslc.ws/spanish/silicone.htm • Sitio de ciencia ficción (Glosario): www.ciencia-ficcion.com/glosario/s/silicio.htm

Actividad de desarrollo

La vida, como la conocemos en nuestro planeta, se basa en la química del carbono. Aunque el silicio (Si) es un elemento con similares características en su estructura, aparece en poca cantidad en la composición en los seres vivos. 1. Investiga los aspectos que aparecen a continuación; utiliza como herramienta la información que obtengas en libros que te recomiende tu docente o en Internet. a. ¿A qué grupo de elementos pertenece el silicio? b. ¿Qué enlaces forma? c. ¿Con qué elementos es capaz de unirse?; ¿puede unirse con él mismo y formar cadenas? d. ¿Qué moléculas forma con el oxígeno?; ¿qué características poseen estas moléculas? e. ¿Por qué el silicio aparece de forma mínima en los seres vivos? 2. R edacta un informe en tu cuaderno con los resultados de tu investigación. Llévalo a la clase y discútelo con tus compañeros, previa coordinación con tu profesor.

Bioelementos primarios o principales

Los bioelementos primarios o principales son los más abundantes en los seres vivos. Ya sabemos que los compuestos orgánicos son complejos y además, los responsables de las propiedades de las células. Todos comparten la característica de poseer en sus moléculas un bioelemento base llamado carbono (C). Las moléculas de carbono se unen muy fácilmente entre sí, y desarrollan esqueletos básicos o cadenas de distintas longitudes y formas. A esas moléculas de carbono se pueden asociar otros átomos de elementos primarios, como hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Estos elementos poseen propiedades que los hacen adecuados para la vida: • Crean entre ellos enlaces covalentes muy estables, compartiendo pares de electrones; el carbono, el oxígeno y el nitrógeno pueden formar enlaces dobles o triples. • Pueden establecer enlaces hasta con cuatro elementos distintos, lo que proporciona variabilidad y versatilidad molecular. • Tienen la capacidad de constituir enlaces sencillos, dobles o triples. • Se pueden unir a otros átomos de carbono y componer largas cadenas. • Los compuestos, aunque son estables, a la vez pueden ser transformados mediante reacciones químicas. • El carbono unido al oxígeno da lugar a compuestos gaseosos. • Facilitan la adaptación de los seres vivos al campo gravitatorio terrestre, ya que estos elementos son los más ligeros de sus respectivos grupos.

U1 Organización de la materia viva

Todas las propiedades numeradas derivan del pequeño radio atómico de estos elementos. El carbono posee cuatro electrones en su capa más externa, que permiten formar cuatro enlaces covalentes muy estables, dirigidos hacia los vértices de un hipotético tetraedro. A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas poseen estructuras tridimensionales diferentes (figura 6); esta conformación espacial es responsable de la actividad biológica. El carbono, el nitrógeno y el oxígeno son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlaces covalentes, lo cual es muy importante, ya que dichos enlaces son muy estables.

Isómeros. Son moléculas que presentan el mismo número de componentes, pero difieren en estructura y propiedades, tanto físicas como químicas. Debido a ello reciben nombres diferentes (figura 7). El químico y biólogo francés Louis Pasteur (1822-1895) publicó en 1848 su primer trabajo y este trató sobre la química de estereoisómeros, en concreto de las propiedades ópticas de los cristales de ácido tartárico (figura 8). Con esta investigación, Pasteur resolvió el “misterio” del ácido tartárico (C4H6O6), sustancia que parecía existir en dos formas de idéntica composición química pero con propiedades diferentes que dependían de su origen: el ácido tartárico proveniente de seres vivos –por ejemplo, el que existe en el vino, proveniente de los microorganismos que lo fermentan– era capaz de polarizar la luz; mientras que el producido sintéticamente no lo hacía a pesar de contar con la misma fórmula química. Al examinar al microscopio los diminutos cristales de sales formadas a partir de ácido tartárico sintetizado en el laboratorio, Pasteur observó algo muy curioso: había cristales de dos tipos distintos, ambos casi exactamente iguales pero con simetría especular, como nuestras manos. La composición era la misma, pero la forma en la que los átomos se asociaban podía tomar dos formas diferentes y simétricas: mientras que una forma polarizaba la luz a la derecha, la otra la polarizaba a la izquierda.

ch4

Figura 6. Estructura tetraédrica del carbono.

COOH h ho

COOH

h Oh COOH

COOH

ácido tartárico (natural) ácido L-(+)-tartárico ácido dextrotartárico

ácido D-(-)-tartárico ácido levotartárico

Molécula A

Molécula B

Mezcla (1:1) ácido DL-tartárico “ácido racémico” Figura 7. Los enantiómeros son estereoisómeros que se interrelacionan por una reflexión: son imágenes especulares entre sí, y no son superponibles. Las manos humanas son un ejemplo macroscópico de estereoisometría.

Biología

Pasteur advirtió que las mezclas racémicas de ácido tartárico se contaminaban a menudo con hongos y, que a medida que los organismos crecían sobre el ácido tartárico, consumían solo una de las dos formas estereoisoméricas. Cuando ocurría esto, una solución ópticamente inactiva de ácido tartárico se transformaba en ópticamente activa. A partir de estos estudios Pasteur reconoció la significación de la asimetría en los sistemas vivos y su interés por este asunto lo condujo de la química a la biología, un campo que le mantendría ocupado el resto de su vida. Sus primeras conclusiones acerca de que la fermentación láctica y la fermentación alcohólica se debían a las actividades de microorganismos vivos se basaron, en parte, en el descubrimiento de que las reacciones químicas de los organismos vivos producen siempre productos altamente asimétricos, en contraste con los sistemas abióticos. Ahora sabemos que entre los seres vivos, esta especialidad estereoquímica es lo más común; las enzimas, los catalizadores de vital importancia y la mayoría de las sustancias sobre las que actúan son ópticamente activas. El azúcar (+)-glucosa desempeña un papel de gran importancia en el metabolismo animal; sin embargo, la (-)-glucosa no es metabolizada por los animales ni fermentada por las levaduras. Cuando el hongo Penicillium glaucum se alimenta con una mezcla de ácidos tartáricos enantiómeros, solo consume el (+)-enantiómero, y deja intacto el ácido (-)-tartárico. La actividad hormonal de la (-)-adrenalina es muchas veces superior a la de su enantiómero. Entre los aminoácidos, la asparagina y la leucina son dulces, y solamente el ácido glutámico aumenta el sabor de los alimentos. Para hacer una analogía aproximada, comparemos una mano izquierda y una derecha que martillan con la misma fuerza (los enantiómeros), un clavo (un reactivo ópticamente inactivo) o, alternativamente, enroscan un tornillo hacia la derecha (un reactivo ópticamente activo). Para clavar, ambas manos hacen uso de un conjunto muscular exactamente correspondiente, por lo que pueden hacerlo a velocidades idénticas; en cambio, para atornillar, emplean músculos diferentes: el pulgar derecho empuja, por ejemplo, mientras que el izquierdo tira. Grupos funcionales. Las combinaciones del carbono con otros elementos, como oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, etc., permiten la aparición de gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas. Estos grupos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos. Los grupos funcionales polares son solubles en agua, por lo que se denominan hidrófilos. Los no polares son insolubles en agua, son hidrófobos. Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C–C), dobles (C=C) o triples (C / C), lo que permite que puedan formarse cadenas más o menos largas, lineales, ramificadas y anillos (dan lugar a los ácidos nucleicos); de coenzimas y de otras moléculas como los fosfolípidos (sustancias fundamentales de las membranas celulares); y de los fosfatos (sales minerales abundantes en los seres vivos). El azufre se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina), presentes en todas las proteínas, y en algunas sustancias como el coenzima A. Como dato complementario, mencionaremos que solo se conocen unas 50 000 sustancias en cuya composición no interviene el carbono, y pasa de dos millones el número de compuestos de carbono conocidos.

h M

b’

Figura 8. Dibujos elaborados por Pasteur, de cristales de ácido tartárico (C4H606), que utilizó para ilustrar su famoso trabajo sobre la actividad óptica: a. cristal con orientación levógira; b. cristal con orientación dextrógira. Puedes observar que los dos cristales son imágenes especulares. El mismo Pasteur empleó las letras sobre las caras de los cristales para marcar las que eran imágenes especulares.

U1 Organización de la materia viva

Bioelementos secundarios Se encuentran en menor proporción en todos los seres vivos, siempre en forma iónica, en proporción de 4.5%. Estos son: calcio, sodio, potasio, magnesio y cloro, los cuales desempeñan funciones de vital importancia en fisiología celular. En el cuadro 3 se relacionan sus funciones. Cuadro 3. FUNCIONES DE LOS BIOELEMENTOS SECUNDARIOS Magnesio (Mg)

Constituye un elemento esencial en la cadena alimentaria de los seres vivos, ya que es parte integrante de la molécula de clorofila, imprescindible en la fotosíntesis: todos nuestros alimentos proceden, directa o indirectamente, de la función vegetal de fotosíntesis. Como ion actúa junto con las enzimas en muchas reacciones químicas del organismo.

Calcio (Ca)

Integra los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, la coagulación sanguínea y el impulso nervioso.

Sodio (Na)

Es un catión abundante en el medio extracelular; resulta necesario en la conducción nerviosa y en la contracción muscular.

Potasio (K)

Constituye el catión más abundante en el interior de las células; es necesario para el sistema nervioso y en la contracción muscular.

Cloro (Cl)

Es el anión más frecuente; resulta necesario para mantener el balance de agua en la sangre y en el fluido que se encuentra entre unas y otras células en los tejidos (se conoce como fluido intersticial).

Oligoelementos

Se denominan oligoelementos al conjunto de elementos químicos presentes en los organismos en muy pequeñas cantidades, pero que son indispensables para el desarrollo armónico del organismo. Algunos de estos elementos no están presentes en todos los seres vivos, pero otros, como el silicio, son muy abundantes en determinados grupos como las diatomeas, las gramíneas (pastos, trigo, cebada, centeno, maíz, avena, arroz, caña de azúcar, etc.) y los equisetos (cola de caballo, por ejemplo). Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos. Sus funciones se relacionan en el cuadro 4. Cuadro 4. FUNCIONES DE LOS OLIGOELEMENTOS Hierro (Fe) Manganeso (Mn) Iodo (I)

Flúor (Fl) Cobalto (Co)

Interviene en la fotolisis del agua, durante el proceso de fotosíntesis. Actúa como catalizador en muchas reacciones biológicas. Interviene en la síntesis de las hormonas tiroideas, entre ellas la tiroxina, que regula el metabolismo. La carencia o el exceso de esta hormona hace que unos seamos más delgados y otros más gordos, de manera natural. Es un oligoelemento esencial; forma parte de los huesos y del esmalte dentario, por lo que está relacionado directamente con la salud dental. Las concentraciones de flúor en el organismo varían según la edad. Está presente en muchos alimentos; por ejemplo el pescado, la leche, hojas de té y en los alimentos procesados donde se ha empleado agua fluorada. Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina de la sangre; cuando falta se produce la anemia.

Silicio (Si)

Proporciona resistencia al tejido conjuntivo y endurece tejidos vegetales, como en las gramíneas.

Cromo (Cr)

Interviene, junto con la hormona insulina, en la regulación de glucosa en sangre.

Zinc (Zn)

Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo.

Litio (Li)

Actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada, puede prevenir estados de depresión mental.

Molibdeno (Mo)

Está presente en todas las células, participa en la respiración. Forma parte de proteínas como la hemoglobina (en la sangre), la mioglobina (en los músculos) y los citocromos (en la respiración). Es fundamental para la síntesis de clorofila y catalizador en reacciones químicas.

Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas.

Biología

Ahora ya conoces que las moléculas que contienen carbono se denominan compuestos orgánicos; un ejemplo es el dióxido de carbono, integrado por un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno (CO2). Las moléculas que carecen de carbono en su estructura se denominan compuestos inorgánicos; por ejemplo, la molécula de agua, constituida por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno (H2O). Poco a poco se ha ido diluyendo en la mente de los científicos la barrera entre química orgánica y química inorgánica. Sin embargo, se conservan ambos términos por las siguientes razones: • Todas las sustancias consideradas como orgánicas contienen carbono. • Los compuestos del carbono son mucho más numerosos que los conocidos del resto de los elementos. • Las moléculas con un esqueleto carbonado no parecen ajustarse a las reglas de valencia a las que se ajustan los compuestos minerales. • Los compuestos orgánicos presentan propiedades generales muy distintas de las de los compuestos minerales; por ejemplo, los orgánicos se descomponen con facilidad por la acción del calor, la mayoría son combustibles, tienen puntos de fusión y de ebullición bajos, de ordinario reaccionan con lentitud.

Biomoléculas

Los bioelementos se combinan entre sí y constituyen las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas reciben el nombre de biomoléculas o principios inmediatos. Las biomoléculas, atendiendo a su composición, se clasifican en inorgánicas y orgánicas. Las biomoléculas inorgánicas son las que no están formadas por cadenas de carbono, como el agua, las sales minerales o los gases. Las orgánicas están formadas por cadenas de carbono y se agrupan en glúcidos, lípidos, proteínas o prótidos y ácidos nucleicos. Según la longitud y la complejidad de su cadena, las biomoléculas orgánicas se pueden clasificar como monómeros o polímeros. Los monómeros son moléculas pequeñas, unidades moleculares que forman parte de una molécula mayor. Los polímeros son agrupaciones de monómeros, iguales o distintos, que componen una molécula de mayor tamaño.

Actividad de desarrollo

I. Responde en tu cuaderno las siguientes preguntas: 1. ¿Por qué fue el carbono y no el silicio el elemento fundamental en la formación de los compuestos básicos para la vida? 2. ¿Qué son los grupos funcionales? Cita dos ejemplos que forman parte de compuestos orgánicos.

U1 Organización de la materia viva

II. En equipo, analicen el siguiente mapa conceptual y establezcan conclusiones. Previa coordinación con el profesor, y basándose en el mapa, expliquen al resto de la clase los conceptos de isomería.

isómeros HFH HCCCH

isómeros estructurales: cadena, posición, función

HHH HHH HCCCF

estereoisómeros (isomería espacial) H

HHH

diastereoisómeros

isómeros cis-trans H3C

CH3

C C H

H3C

confórmeros

CH3 CH3 H H HH

rotámeros

CH3 H H H H CH3

CH3

C C H

enantiómeros

C Br

C F F Cl

Funciones del agua en la materia viva Es la sustancia química más abundante de la materia viva y, por tanto, todas las reacciones químicas que experimentan los seres vivos se realizan en un medio acuoso. Constituye aproximadamente 70% del peso de las células, aunque varía según la especie: las acuáticas poseen un mayor porcentaje que las terrestres. En los seres humanos depende de la edad; es mayor en los individuos jóvenes. También varía la cantidad en los tejidos y órganos, unos requieren más que otros según la actividad metabólica; a mayor actividad, mayor proporción de agua: por ejemplo, en la corteza cerebral es de 90%, y en el tejido adiposo, de 10 a 20%. Y, por supuesto, también varía entre el medio intracelular y el extracelular.

104.5º H H

Figura 9. Estructura química del agua.

La vida en este planeta empezó en el mar y las condiciones que reinaban en aquel ambiente primitivo imprimieron un sello permanente en la química de la materia viva. Todos los organismos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrógeno, su elevado punto de fusión, ebullición, calor específico y elevada tensión superficial. La estructura química de la molécula del agua presenta una marcada polaridad, y de esta estructura son consecuencia sus propiedades fisicoquímicas y sus funciones biológicas. En la molécula del agua, el átomo de oxígeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno, y es una molécula angulada (figura 9). El núcleo del átomo de oxígeno, debido a su mayor electronegatividad, desplaza parcialmente a las nubes electrónicas que constituyen los enlaces hacia su núcleo dejando a los núcleos de los átomos de hidrógeno con una pequeña carga parcial positiva (δ+); mientras que existen regiones débilmente negativas (δ-) cerca del átomo de oxígeno, en los vértices de un tetraedro hipotético. Por ello, la molécula de agua tiene en su estructura unas zonas con

Biología

mayor densidad electrónica y otras con un déficit electrónico; lo que hace que sea una molécula dipolar. Debido al carácter dipolar del agua permite los enlaces de hidrógeno y que se formen grupos de moléculas que pueden alcanzar pesos moleculares elevados y se comporten como un líquido (figura 10). En un enlace de hidrógeno un átomo de este mismo elemento queda compartido con otros dos átomos, a uno de ellos el hidrógeno está ligado covalentemente, mientras que el otro átomo se une por fuerzas electrostáticas (δ+) (δ-). Como consecuencia de la estructura dipolar, las moléculas de agua pueden interaccionar unas con otras. Esta interacción se produce por atracción electrostática entre la carga parcial negativa del átomo de oxígeno de una molécula de agua y la carga parcial positiva localizada sobre los átomos de hidrógeno de otra molécula. Estas uniones se denominan enlaces de hidrógeno.

Oxígeno

Hidrógeno

Figura 10. Estructura del agua y puentes de hidrógeno.

Debido a la ordenación de los electrones alrededor de los átomos de oxígeno, cada molécula de agua es potencialmente capaz de unirse mediante enlaces de hidrógeno a otras moléculas de agua, lo que permite que se formen estructuras de tipo reticular Estos enlaces de hidrógeno entre las moléculas se forman y escinden a una gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al elevarse la temperatura. Los enlaces de hidrógeno mantienen unidas a las moléculas de agua entre sí, con lo que su peso molecular aumenta, y por ello, a una temperatura a la que otras moléculas químicamente comparables (H2S o CH4) están en estado gaseoso, el agua se encuentra en estado líquido. Como consecuencia, el agua se emplea como medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo, y como medio lubricante en órganos de movimiento. A continuación se describen las características fundamentales del agua. Elevada fuerza de cohesión entre sus moléculas. Esta característica se debe a los puentes de hidrógeno, que la convierten en un líquido incompresible, con una alta tensión superficial. A su vez, estas moléculas interaccionan con otras moléculas polares (adhesión), lo que hace al agua responsable del fenómeno de la capilaridad que permite la ascensión del agua a través de conductos de poco diámetro, como ocurre con la subida de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas. Las fuerzas cohesivas que se deben a la elevada tendencia de la molécula de agua a unirse a otras moléculas vecinas, son las que convierten a este elemento en un líquido prácticamente incompresible, capaz de dar volumen y turgencia a muchos seres vivos, por ejemplo, el esqueleto hidrostático de las plantas. Elevado calor específico. Hace falta mucho calor para elevar la temperatura del agua, por lo que es un estabilizador térmico del organismo. De esta forma se evita la alteración de algunas moléculas, fundamentalmente proteínas, muy sensibles a los cambios térmicos.

U1 Organización de la materia viva

Elevado calor de vaporización. Es necesario romper todos los enlaces de hidrógeno para pasar de líquido a gas. Esta propiedad, junto con la anterior, participa en el proceso de amortiguación térmica, pues se consigue la disminución de la temperatura de un organismo al perder una cantidad de calor que es empleada en la evaporación del agua. La sudoración es un método fisiológico de refrigeración, basado en esta propiedad. Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido. Al flotar el hielo en el agua se forma una capa superficial termoaislante que permite la vida bajo ella. Elevada tensión superficial. Esta propiedad permite deformaciones en el citoplasma celular, causa de los movimientos internos de la célula. Solubilidad. Por su naturaleza dipolar, el agua posee una constante dieléctrica elevada, lo que hace que sea un buen disolvente para gran cantidad de compuestos, como los siguientes: • Compuestos iónicos, como las sales cristalizadas; por ser el agua dipolar, se interpone entre los compuestos iónicos, disminuye la fuerza de atracción de los iones y provoca su separación y, por tanto, su disolución. • Compuestos orgánicos neutros que poseen grupos funcionales polares (hidroxilo, aldehído cetona, carboxilo, amina, amida, sulfhidrilo), son solubles en el agua, pues no interrumpen su estructura al formar enlaces de hidrógeno con ella. A estos compuestos se les llama hidrófilos o polares. • Compuestos orgánicos no polares (radicales alifáticos); son insolubles en agua porque

interrumpen su estructura al no formar enlaces de hidrógeno con ella. A estos compuestos se les llama hidrófobos o apolares. • Sustancias anfipáticas –poseen a la vez grupos hidrófilos e hidrófobos– son dispersadas por el agua. Por ejemplo, un ácido graso de cadena larga forma unos agregados denominados micelas, en los que los grupos carboxilo polares están en contacto con el agua y forman enlaces de hidrógeno con ella, mientras que las cadenas hidrocarbonadas insolubles, hidrófobas y apolares se ocultan del medio acuoso mediante interacciones hidrofóbicas. Otra manera de disponerse las sustancias anfipáticas cuando se añaden en pequeña cantidad al agua, es formando una monocapa en la superficie. Sobre esta monocapa puede disponerse una segunda capa con las colas apolares sobre la primera, formando una bicapa lipídica (figura 11). En ella las cabezas polares forman enlaces de hidrógeno con el agua y los grupos apolares se mantienen unidos por interacciones hidrofóbicas. De todo esto se deduce que una de las funciones primordiales del agua es actuar como disolvente de la mayoría de las moléculas; como toda reacción química requiere los reactivos disueltos, es imprescindible el agua, pues permite la disolución de los compuestos biológicos, y actúa como el medio donde se realizan todas las reacciones metabólicas. De esta manera, el agua sirve de vehículo de entrada y salida de las distintas sustancias disueltas en ella, a través de la membrana, en la célula.

agua

cola hidrófoba

agua

micela

cabeza hidrófila agua

fosfolípido (molécula anfipática) Figura 11. Las sustancias anfipáticas son dispersadas por el agua.

bicapa

monocapa

Biología

Ionización y regulación del pH. Una pequeña parte de las moléculas de agua pueden ionizarse al unirse un átomo de hidrógeno de una molécula al oxígeno de otra molécula, rompiendo su unión con la primera. δ+ H δ+ H

O...

.Hδδ+ Hδδ+

Oδ-

H O+

H +

Aparecen así dos iones de carga opuesta: H3O+ y HO-. Habitualmente, los iones H3O+ se representan con H+. En el agua destilada la proporción de moléculas ionizadas es muy baja. A 25ºC [H+] x [OH-] = 1 x 10-14. A este producto se le denomina producto iónico del agua.

Sales minerales

Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas: • Precipitadas, de manera que constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelética. • Disueltas, como por ejemplo, los cristales en disolución, que se disocian en aniones y cationes; estos iones mantienen el grado de salinidad constante dentro del organismo y ayudan a mantener su pH. • Asociadas a moléculas orgánicas, como ocurre, por ejemplo, en las fosfoproteínas y los fosfolípidos. En los seres vivos, el estado líquido está compuesto por muchos tipos de moléculas o solutos dispersos en una única fase disolvente, que es el agua. Los solutos se denominan cristaloides cuando son de bajo peso molecular y forman disoluciones verdaderas. Cuando el peso molecular de los solutos es elevado, se denominan coloides y forman dispersiones coloidales. Las propiedades de las disoluciones verdaderas se explican a continuación. Difusión. Es la repartición homogénea de las partículas de un fluido en el seno de otro cuando se ponen en contacto, debido al constante movimiento de las partículas. Ósmosis. Es el paso del disolvente entre dos soluciones de diferente concentración a través de una membrana semipermeable, como la membrana plasmática. El disolvente se mueve desde la disolución más diluida a la más concentrada. A continuación se explican las propiedades de las dispersiones coloidales. • Capacidad de presentarse en estado de gel. Las dispersiones coloidales pueden presentarse en forma de sol (estado líquido) o de gel (estado semisólido). • Elevada viscosidad. Es la resistencia interna que presenta un líquido al movimiento relativo de sus moléculas. • Elevado poder adsorbente. Consiste en la atracción que ejerce la superficie de un sólido sobre las moléculas de un líquido o un gas. • Efecto Tyndall. Se observa cierta opalescencia al iluminar lateralmente las dispersiones coloidales sobre un fondo oscuro (figura 12).

Figura 12. En el efecto Tyndall las partículas desvían la trayectoria de la luz y así se hacen visibles.

U1 Organización de la materia viva

Detector de presión del dializado Bomba de heparina Dializar

Control de presión venosa Trampa de burbujas y detector de burbujas de aire

Campo del sistema

Control de presión arterial

Bomba de sangre Figura 13. La hemodiálisis se practica en pacientes con graves problemas renales.

• Sedimentación. Si se someten a fuertes campos gravitatorios se sedimentan sus partículas. • Diálisis. Es la separación de coloides de los cristaloides gracias a una membrana semipermeable que solo permite pasar a las moléculas pequeñas. La diálisis se usa para tratar enfermedades renales, procedimiento que se llama hemodiálisis (figura 13). • Electroforesis. Consiste en el transporte de partículas coloidales a través de un gel debido a la acción de un campo eléctrico.

Acción reguladora del pH. Sistemas tampón

Al disolver un ácido en agua aumenta la concentración de H+, pues cede estos iones. Por el contrario, las bases captan H+ del medio, por lo cual estos disminuyen. Según el producto iónico del agua, si aumenta la concentración de uno de los iones, disminuye la del otro. Para describir la abundancia relativa de los iones presentes en la disolución se emplea el término de pH, que se define como el logaritmo inverso de la concentración de H+. La escala de pH varía entre 1 y 14, correspondiendo el 7 a la neutralidad. Valores por debajo de este corresponden a disoluciones de sustancias ácidas, y si están comprendidos entre 7 y 14, la disolución será básica. En los seres vivos existen disoluciones con un pH determinado, casi siempre próximo a la neutralidad. Para que los fenómenos vitales puedan desarrollarse con normalidad es necesario que la concentración de H+ sea más o menos constante. Pero en las reacciones que tienen lugar en el metabolismo se están liberando continuamente productos o sustancias tanto ácidas como básicas que tenderían a variar la concentración de H+, si no fuera porque los seres vivos disponen de mecanismos químicos que se oponen automáticamente a las variaciones de pH. En estos mecanismos denominados sistemas tampón, intervienen de forma importantísima las sales minerales, que de esta manera desempeñan un papel de reguladoras del equilibrio ácido-base. Como es más frecuente la desviación en los seres vivos hacia el lado ácido (pH inferior a 7), que al básico –porque durante el metabolismo hay una mayor cantidad de sustancias que liberan protones–, estudiaremos un tampón que actúe frente al exceso de acidez. El principal tampón extracelular en la sangre y los líquidos intersticiales de los vertebrados, es el tampón del bicarbonato formado por el H2CO3 y el NaHCO3.

Biología

Por ejemplo, supongamos que un organismo se ve sometido a un exceso de ácidos, entonces se incrementaría considerablemente la concentración de protones, en virtud de la disociación: HCl → H+ + Cl- ; HX → H+ + XY la igualdad [H+] = [HO-] desaparecería. Para evitar esto entrará en funcionamiento el tampón y ocurre lo siguiente: HCl + NaHCO3 → NaCl + H2CO3 La sal es neutra y aunque se disocie no liberará protones; además, habitualmente es expulsada por la orina: NaCl → Na+ + ClEl ácido carbónico es un ácido débil que se descompone con rapidez en: H2CO3 → CO2 + H2O De esta forma, un aumento de la concentración de hidrogeniones en los medios biológicos ocasiona, por desplazamiento del equilibrio, un aumento en la concentración del ácido carbónico, y este dará lugar a una mayor concentración de dióxido de carbono que será expulsado por vía respiratoria, modificando la frecuencia de la ventilación en las estructuras respiratorias. En las estructuras biológicas, por otra parte, un descenso de H+ se traducirá en un gasto de ácido carbónico, obtenido a partir del dióxido de carbono modificando también el ritmo de ventilación.

Actividad de desarrollo

La función principal de las bebidas hidratantes –o deportivas– es reponer las pérdidas de líquido y sales minerales causadas por la sudoración. Están compuestas por agua y electrolitos para ayudar a compensar de manera efectiva la disminución de agua y sales minerales, al mismo tiempo que suministran carbohidratos, los cuales proporcionan energía adicional durante la actividad física. Son conocidas como isotónicas. Realiza las siguientes actividades. 1. Investiga la composición química de una de estas bebidas y escríbela en tu cuaderno. Para tu investigación puedes acceder a Internet y utilizar un buscador como Google o Altavista; recuerda escribir palabras clave como bebidas deportivas u otras relacionadas con el tema. 2. ¿Consideras que resulta imprescindible consumir esas bebidas si se realizan ejercicios poco intensos o por menos de una hora? ¿Por qué? 3. ¿Qué efectos puede provocar al organismo el consumo no necesario de estas bebidas? 4. ¿Conoces alguna receta doméstica que puedas preparar sin tener que gastar en la compra de una de ellas? Si la conoces, escríbela en tu cuaderno. 5. Prepara un breve informe con los datos obtenidos y discútelo con el resto de la clase, previa coordinación con tu profesor.

tema 3

Química de las moléculas orgánicas

Los principales compuestos orgánicos para la vida son los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. En este tema abordaremos el estudio de estos compuestos, su estructura, su importancia y las funciones que desempeñan en el organismo.

Carbohidratos

Los carbohidratos –también llamados hidratos de carbono o glúcidos– desempeñan funciones específicas en los sistemas biológicos. Son biomoléculas orgánicas constituidas por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque en algunos de sus compuestos también se encuentran nitrógeno y fósforo. El nombre de los carbohidratos proviene de su fórmula general Cn(H2O)n. Desde el punto de vista químico son aldehídos o cetonas polihidroxilados (figura 14), o productos derivados de ellos por oxidación, reducción, sustitución o polimerización. Un aspecto importante de los carbohidratos es que pueden estar unidos covalentemente a otro tipo de moléculas y formar glicolípidos, glicoproteínas –cuando el componente proteico es mayoritario–, proteoglicanos –cuando el componente glicídico es mayoritario– y peptidoglicanos –en la pared bacteriana. h

ch2OH

O c

ch2OH

ch2OH D-eritrosa

D-ribosa

ch2OH D-xilulosa

D-fructosa

Figura 14. Ejemplos de aldehídos polihidroxilados y de cetonas: D-eritrosa y D-ribosa son ejemplos de aldehídos polihidroxilados, por lo que el C=O está en un extremo y aparecen varios OH; D-xilulosa y D-fructosa, son ejemplos de cetonas polihidroxiladas, ya que el C=O no está en el extremo.

Biología

Monosacárido

Disacárido

H2O

Polisacárido Figura 15. Clasificación de los carbohidratos según cantidad de unidades estructurales.

Con base en el número de unidades estructurales que los constituyen, los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos (figura 15). Los monosacáridos se unen entre sí y forman disacáridos y polisacáridos mediante enlaces glucosídicos, que se explicarán más adelante. Monosacáridos. Se denominan también azúcares simples por ser los más sencillos de la naturaleza; sus moléculas son relativamente pequeñas, y según el número de átomos de carbono que posean, pueden ser: • Triosas (tres carbonos); ejemplo, gliceraldehído. • Tetrosas (cuatro carbonos); ejemplo, eritrosa. • Pentosas (cinco carbonos); ejemplo, ribosa. • Hexosas (seis carbonos); ejemplo, glucosa. La glucosa es el azúcar más común y se encuentra en todas los formas de vida; es el combustible más importante de las células. Es un componente normal de la corriente sanguínea y se encuentra en una concentración de 65-110 mg/dL. La fructosa –llamada el azúcar de las frutas– es muy abundante en la naturaleza; se encuentra en la miel y forma parte de ciertos disacáridos y polisacáridos. La galactosa es importante en la formación de la lactosa o azúcar de la leche, constituida además por glucosa. Disacáridos. El enlace glucosídico, también llamado enlace O-glucosídico, es el que une monosacáridos y forma disacáridos o polisacáridos. Por medio de este enlace se unen dos monosacáridos. La primera molécula que se ch2oh

ch2oh o

h ho

observa en la figura 16 es un monosacárido clasificado como α, D-glucosa. Se denomina α porque el –OH del carbono anomérico (primer carbono en el esquema) está hacia abajo. En el enlace O-glucosídico reaccionan los grupos –OH (hidroxilo) del carbono anomérico del primer monosácarido con un –OH de otro carbono del otro monosacárido (ya sea carbono anomérico o no), de lo cual se forma un disacárido y una molécula de agua. Un anómero es un isómero de los monosacáridos de más de cinco átomos de carbono que han desarrollado una unión conocida como hemiacetálica, lo que les permitió tomar una estructura cíclica y determinar dos diferentes posiciones para el ion hidroxilo (α o β). El proceso es realmente una condensación; se le denomina deshidratación por la característica de la pérdida de la molécula de agua. Dependiendo si la reacción de los –OH provengan de los dos C anómericos el disacárido será dicarbonílico y no tendrá poder reductor. Mientras que si participan los –OH de un carbono anomérico y de otro carbono no anomérico, el disacárido será monocarbonílico y tendrá poder reductor, ya que tendrá el –OH de un carbono anomérico libre. Al final del proceso ambos monosacáridos quedarán unidos por un oxígeno, de ahí que el enlace se llame O-glicosídico. Cuando el enlace glicosídico se forma entre dos monosacáridos, el holósido resultante se clasifica como un disacárido. Reciben también el nombre de azúcares dobles porque contienen dos moléculas de monosacáridos unidas químicamente; un ejemplo es el del azúcar común de mesa, también conocida como sacarosa. Otros disacáridos importantes son lactosa y maltosa (figura 17).

h h

α + OH

ch2oh

o h

α OH

ch2oh

h oh

o h

h + ho 2 OH

Enlace O-glucosídico Figura 16. Fórmula donde se muestra el enlace O-glucosídico.

U1 Organización de la materia viva

ch2oh h ch2oh h

o h

h oh

ch2oh

hoh2C o

ch2oh h

oh Sacarosa

o h oh

h h

o h oh

h h

Anómero β de la lactosa 4)-β-d-glucopiranosa) (β-d- galactopiranosil-(1

Figura 17. Ejemplos de disacáridos.

Polisacáridos. Son moléculas de carbohidratos con pesos moleculares mayores a las anteriores, ya que son monosacáridos que unidos forman largas cárdenas. Los principales polisacáridos son: almidón, glucógeno, celulosa y quitina.

Funciones de los carbohidratos

Los carbohidratos desempeñan funciones esenciales en el organismo: fuente de energía, estructural, informativa, detoxificadora. Fuente de energía. Representan en los seres vivos el combustible de uso inmediato. La combustión de 1 g de carbohidratos produce unas 4 kcal. Además de ser buenos combustibles, la presencia de funciones oxigenadas (carbonilos y alcoholes) permiten que interaccionen con el agua más fácilmente que otras moléculas combustibles, como pueden ser las grasas. Por este motivo las grasas se utilizan como fuente energética de uso diferido y los carbohidratos como combustibles de uso inmediato. Estructural. Son una parte de la estructura de los ácidos nucleicos, en forma de ribosa, que es una pentosa o azúcar de cinco carbonos, pero su función estructural se pone más de manifiesto donde se necesitan matrices hidrofílicas capaces de interaccionar con medios acuosos, y que al mismo tiempo constituyan un armazón con una cierta resistencia mecánica. Ejemplo de esta función son las paredes celulares de plantas, hongos y bacterias, que están constituidas por carbohidratos o derivados de ellos; se considera que la celulosa, polisacárido que forma parte de la pared celular de las células vegetales, es la molécula orgánica más abundante de la biosfera. Otro ejemplo es el exoesqueleto de los artrópodos, constituido por el polisacárido quitina. Las matrices extracelulares de los tejidos animales de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) están configuradas por polisacáridos nitrogenados llamados glicosaminoglicanos o mucopolisacáridos. Informativa. Los carbohidratos pueden unirse a lípidos o a proteínas de la superficie de la célula, y constituir señales de reconocimiento en la superficie celular externa. Estos glicolípidos y glicoproteínas son reconocidos por hormonas, anticuerpos, bacterias, virus u otras células. Los carbohidratos son también los responsables antigénicos de los grupos sanguíneos. Detoxificadora. En muchos casos, los organismos deben encargarse de eliminar compuestos tóxicos que son muy poco solubles en agua, y que tienden a acumularse en tejidos con un alto contenido lipídico, como el cerebro o el tejido adiposo. Estos compuestos pueden ser de diversa procedencia: • Sustancias que se producen en ciertas rutas metabólicas y que hay que eliminar o neutralizar de la forma más rápida posible (bilirrubina, hormonas esteroideas, etc.). • Compuestos producidos por otros organismos (los llamados metabolitos secundarios: toxinas vegetales, antibióticos, etc.).

Biología

• Productos de procedencia externa (xenobióticos: fármacos, drogas, insecticidas, pesticidas, aditivos alimentarios, etc.). Una manera de deshacerse de estos compuestos es conjugarlos con un derivado de la glucosa, el ácido glucurónico, que los hace más solubles en agua y pueden eliminarse fácilmente por la orina o por otras vías.

Actividad de desarrollo

La glucosa se cicla, esto quiere decir que toma la forma de un hexágono; este modo de compactación se denomina glucopiranosa y no es la definitiva. 1. Utilizando la información que puedas obtener a través de Internet, investiga: a. ¿Cómo se pliega la glucosa, ya ciclada? b. ¿Cuántas posibilidades existen de conformación? c. ¿Cuál de ellas es la estructura más estable? 2. Busca la información en las direcciones que te recomendamos a continuación. • Conformación: www.bionova.org.es/biocast/documentos/figura/figtem07/figura78.jpg • Estabilidad en glúcidos: www.bionova.org.es/biocast/tema07.htm También puedes navegar a través de los siguientes buscadores: • www.google.com/ • www.altavista.com/ Recuerda escribir palabras clave. 3. Realiza un informe, con un procesador de textos, donde expliques la conformación lineal y la ciclada de la glucosa. 4. Con ayuda de un programa de dibujo, crea las conformaciones de la glucosa ciclada que aparecen en la naturaleza. Pega las imágenes en el informe y entrégalo a tu profesor.

Lípidos

Los lípidos incluyen las biomoléculas cuya propiedad común es la de ser insolubles en agua. Están formadas básicamente por carbono e hidrógeno y, generalmente, oxígeno; aunque este último en porcentajes mucho más bajos. Su diferencia con los carbohidratos es que poseen más átomos de hidrógeno con relación a los de oxígeno. Pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre. Se diluyen en disolventes orgánicos, como cloroformo, benceno, éter, aguarrás o acetona; son menos densos que el agua, por lo que flotan sobre ella y son aceitosos al tacto. Entre los lípidos se encuentran los ácidos grasos, el glicerol, los fosfolípidos, los esteroides, el colesterol, etc. A continuación se exponen detalles sobre algunas de estas biomoléculas. Ácidos grasos saturados y no saturados. Los hidrocarburos –compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno– puros no se hallan en las células vivas. En estas se encuentran los hidrocarburos modificados llamados ácidos grasos. Los átomos de carbono en ácidos grasos saturados están unidos por ligaduras sencillas carbono-carbono (C–C); los ácidos grasos no saturados contienen una o más dobles ligaduras (figura 18). Las dobles ligaduras son más débiles que las sencillas y son más fáciles de romper. La presencia de dobles ligaduras (insaturación) en los ácidos grasos cambia el punto de fusión. Los ácidos grasos no se acumulan en grandes cantidades dentro de las células, sino que sirven de unidades básicas estructurales, como si fueran los ladrillos de una pared (monómeros) para la construcción de triglicéridos y fosfolípidos. Los aceites vegetales contienen grandes concentraciones de ácidos grasos no saturados, mientras que las grasas animales contienen generalmente ácidos grasos saturados.

U1 Organización de la materia viva

H3c c H2 H2c c H2 H2c C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H3

c H2 H2c c H2 H2c C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H2 H2C C H3

H2c c H2 H2c c H2 H2C C H2 H2C CH CH H2C C H2 H2C C H2 H2C C H3

Figura 18. Moléculas de un carbohidrato (a), un ácido graso saturado (b) y otro no saturado (c).

Glicerol y glicéridos. Los ácidos grasos están relacionados con el compuesto denominado glicerol o glicerina (C3H8O3), que es un alcohol con tres grupos hidroxilos (–OH), y forma glicéridos por la unión de uno, dos o tres ácidos grasos. Los triglicéridos son los lípidos más comunes, y los principales ingredientes de las células del tejido adiposo, donde se almacenan en forma de gotas de grasa. Entre sus funciones se encuentra almacenar grandes cantidades de energía. Sin embargo, toma un tiempo considerable al cuerpo obtener esta energía debido a que los triglicéridos no son muy solubles en agua. También protegen del frío; un ejemplo extremo lo tenemos en las ballenas y las focas. Además, actúan en la absorción de golpes. Fosfolípidos y bicapa lipídica. Los fosfolípidos, espontáneamente, forman bicapas lipídicas, lo cual genera membranas biológicas. Todas las membranas biológicas –excepto las de algunas bacterias– contienen bicapas lipídícas y proteínas, lo cual les proporciona estabilidad y funciones especializadas.

Esteroides. Son un grupo grande de lípidos, entre los que se encuentran el colesterol y las hormonas. La estructura de sus moléculas abarca tres anillos de seis carbonos y un anillo de cinco, con varios radicales (figura 19). Excepto los átomos de oxígeno polar (en rojo), el resto de las moléculas son hidrocarburos poco solubles en agua. Los esteroides son moléculas rígidas y planas, no como los ácidos grasos, cuyas uniones son libres, lo que les permite rotar. El colesterol es un componente fundamental de las membranas de las células eucarióticas y contribuye a la estabilidad de esa estructura. Pero seguramente has escuchado que el alto nivel de colesterol en el organismo humano está asociado al daño en las arterias. Sin embargo, este compuesto es esencial para la buena salud y las personas con dietas bajas en colesterol sintetizan cerca de 800 mg al día. El colesterol transportado por las partículas de lipoproteínas de alta densidad o HDL en la circulación se asocia con un menor riesgo de ateroesclerosis, y suele denominarse

Biología

h3C h Ch h Ch

Ch3

C Ch

ch3 C

Ch Ch Ch

h2C

h2C HO

Ch2

h Ch2 Ch2

Ch2

Ch3 C

h Ch

Ch3

Ch C

Ch2

Ch3

C Ch

h2C

Ch Ch

h2C

OH ch3

h Ch Ch2

h2C

h C

Ch2 C

Ch2 HO

C C

Ch C

O ch3

Ch Ch2

Ch2 Ch2

Ch2

Figura 19. Moléculas de colesterol (a), testosterona (b) y estrona (c), un tipo de estrógeno

colesterol “bueno”, pues es el encargado de evitar que el colesterol “malo” se adhiera a las arterias y las obstruya. Por lo tanto, el tener este preciado elemento reduce los riesgos de sufrir accidentes cardiovasculares. Las hormonas esteroides se derivan del colesterol y entre ellas se incluyen las hormonas sexuales como la testosterona –que induce al desarrollo de las características sexuales secundarias masculinas–, los estrógenos –que estimulan el desarrollo de las características sexuales femeninas– y la progesterona, la cual prepara al útero para la implantación de un óvulo fertilizado cada mes.

Funciones de los lípidos

Los lípidos desempeñan cuatro tipos de funciones: de reserva energética, estructural, biocatalizadora y de transporte.

De reserva energética. Constituyen el principal depósito de energía del organismo. Un gramo de grasa produce 9.4 kcal en las reacciones metabólicas de oxidación, mientras que las proteínas y los glúcidos solo producen 4.1 kcal por gramo. Los ácidos grasos y las grasas (acilglicéridos) realizan la función de reserva principal. Un ácido graso es una biomolécula lipídica formada por una cadena larga hidrocarbonada lineal, con un número par de átomos de carbono, en cuyo extremo hay un grupo carboxilo. Grasa es un término genérico para designar varias clases de lípidos, aunque generalmente se refiere a los acilglicéridos, que son ésteres en los que uno, dos o tres ácidos grasos se unen a una molécula de glicerina, formando monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos, respectivamente. Las grasas están presentes en muchos organismos y tienen funciones tanto estructurales como metabólicas.

U1 Organización de la materia viva

en la web Existen esteroides anabolizantes que inicialmente fueron utilizados en el tratamiento de pacientes de cáncer. Sin embargo, su uso se ha extendido a personas que practican deportes, con resultados indeseables por diversas razones. Los siguientes enlaces te llevan a páginas con información sobre su uso. Infórmate al respecto y establece tus propias conclusiones. • www.saludalia.com/Saludalia/ web_saludalia/vivir_sano/doc/ alcohol_y_drogas/doc/esteroi des_anabolizantes.htm •h ttp://www.tupincho.net/ foro/como-mata-el-dopaget8305.html

Estructural. Esta función forma parte fundamental del armazón de las bicapas lipídicas de las membranas. En los órganos recubren estructuras y les dan consistencia; un ejemplo es la cera del cabello. En esta función estructural intervienen los glucolípidos, las ceras, los esteroles y los fosfolípidos. Otros tienen función térmica, como los acilglicéridos, que se almacenan en tejidos adiposos de animales de clima frío; también protegen mecánicamente, como ocurre con los tejidos adiposos de la planta del pie y de la palma de la mano del ser humano. Biocatalizadora. Favorecen o facilitan las reacciones químicas en los seres vivos; desempeñan esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroides y las prostaglandinas. Transportadora. Sirven de transportadores de sustancias en los medios orgánicos. El transporte de lípidos, desde el intestino hasta el lugar de utilización o hasta el tejido adiposo (almacenaje), se realiza mediante la emulsión de los lípidos por los ácidos biliares y los proteolípidos, asociaciones de proteínas específicas con triglicéridos, colesterol, fosfolípidos, etc.

Otras características de los lípidos

En los ácidos grasos se realiza la típica reacción de saponificación, mediante la cual los aceites y las grasas interactúan con álcalis y dan lugar a una sal de ácido graso, que se denomina jabón. La palabra saponificación proviene del latín saponis, que significa jabón: fabricación de jabón. En la práctica, el jabón se fabrica por hidrólisis básica, con hidróxido de sodio o potasio, de grasas animales o aceites vegetales, que son ésteres de ácidos carboxílicos de cadena larga con glicerol. Esta reacción fue descubierta hace más de 2 500 años al observar que se obtenía cuajo cuando la grasa animal se calentaba con las cenizas de la madera. Por lo tanto, un jabón es la sal de sodio o de potasio de un ácido graso (figura 20). CH2–O–CO–R

CH2–OH

CH–O–CO–R + 3NaOH

CH–OH

CH2–O–CO–R ácido graso (aceite)

+ 3R–CO–ONa

CH2–OH hidróxido de sodio (sosa)

gilcerlina (alcohol)

jabón (sal de ácido graso)

Figura 20. Reacción de saponificación, mediante la cual se fabrican jabones.

También se presenta en los lípidos la reacción de esterificación, que sucede cuando un ácido graso se une a un alcohol mediante un enlace covalente, de lo cual se forma un éster y se libera una molécula de agua (figura 21). Los ácidos grasos son esenciales en la dieta, especialmente tres ácidos grasos polinsaturados, que deben estar presentes en los alimentos, ya que el organismo no los sintetiza; estos son el linoleico y el linolénico (aceites vegetales), y el araquinódico (grasa animal). O

O HA oh

ácido Figura 21. Reacción de esterificación.

R-OH alcohol

c éster

OR + H2O

Biología

células sanguíneas circulando en la arteria

Los animales que hibernan utilizan sus grasas durante el periodo de hibernación. Un gramo de grasa anhidra (sin agua) almacena alrededor de seis veces la energía metabólica de un gramo de glucógeno hidratado. Las grasas permiten almacenar la máxima cantidad de energía en el mínimo espacio. Los depósitos subcutáneos sirven también como aislante térmico para mantener el calor corporal y como almohadilla protectora frente a golpes y contusiones. De especial relevancia para la adaptación al frío, es la del tejido adiposo pardo o marrón de los animales que hibernan, pues su grasa suministra abundante calor. Se distribuye en forma de pequeños depósitos entre los omóplatos, las axilas, la nuca y otras partes del cuerpo de los animales que viven en climas fríos. Su combustión no suministra energía metabólica, sino que origina energía exclusivamente en forma de calor. Cabe recordar que existe una estrecha relación entre los ácidos grasos saturados en el organismo y las enfermedades cardiovasculares. Un exceso de ácidos grasos saturados en la dieta incrementa los niveles de triglicéridos y de colesterol en sangre y, por consiguiente, favorece la formación de placas de ateroma, producidas por la acumulación de lípidos en la pared interna de las arterias, lo que las obstruye y dificulta la circulación sanguínea; esto puede ocasionar trombosis y otras enfermedades cardiovasculares como la arterioesclerosis (figura 22). Sin embargo, los aceites de oliva, de semillas y los ácidos grasos polinsaturados de los pescados azules, tienen el efecto contrario, ya que bajan los niveles de colesterol en sangre y evitan la formación de los llamados ateromas.

placa de ateroma Figura 22. Acumulación progresiva de grasa (colesterol) sobre las paredes de las arterias que puede llegar a cerrar el vaso.

Proteínas

Las proteínas son biomoléculas formadas básicamente por carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y, en ocasiones, azufre y fósforo. Los átomos de estos elementos suelen formar subunidades moleculares denominadas aminoácidos. Su contenido relativamente elevado de nitrógeno las distingue de las grasas y los carbohidratos. Las proteínas pueden considerarse polímeros de unas pequeñas moléculas que reciben el nombre de aminoácidos (AA) y son estas, por lo tanto, los monómeros unidad. Aproximadamente 50% del peso seco de la célula está constituido por proteínas, por lo que resultan las biomoléculas más abundantes. Son las responsables del crecimiento, el mantenimiento y la reparación de los organismos. Sus funciones, que se explicarán más adelante, son diversas: transportadoras de oxígeno (hemoglobina y mioglobina), hormonales (insulina, glucagón), estructurales (queratina, colágena), enzimáticas (pepsina, atpasa), entre otras. La mayor parte de las proteínas son específicas de cada especie, lo cual está determinado por los genes, que son los principales factores determinantes de la herencia de las especies –asunto que también será abordado más adelante.

U1 Organización de la materia viva

Aminoácidos

Desde el punto de vista químico, los aminoácidos son ácidos orgánicos con un grupo amino en posición alfa (α). Según esta definición, los cuatro sustituyentes del carbono alfa (Cα) en un aminoácido son (figura 23): • El grupo carboxilo. • Un grupo amino. • Un átomo de hidrógeno. • Una cadena lateral R, que es característica de cada aminoácido. Los 20 tipos distintos de aminoácidos que se encuentran en condiciones normales en las proteínas contienen un grupo amino (–NH2) y un grupo carboxilo (–COOH) unidos al mismo átomo de carbono, llamado carbono alfa. Los aminoácidos difieren en su grupo R o cadena lateral unida al carbono alfa. La glicina, el aminoácido más simple, presenta un hidrógeno como grupo R o cadena lateral; la alanina, un grupo metilo (–CH3). Existen 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas; son αL-aminoácidos. En la naturaleza se encuentran otros muchos tipos de aminoácidos, pero no se asocian en macromoléculas. H O H2N

C OH

Radical Figura 23. Estructura general de los aminoácidos en donde se observa el carbono α asimétrico y los cuatro sustituyentes.

En la figura 24 se muestra la fórmula de tres de los 20 aminoácidos más importantes; en color negro, la parte común, y en otro color la parte variable, que les otorga las distintas propiedades y comportamientos.

O H2N

O OH

H2N

CH3

CH2 SH

Alanina

Metionina O H2N

H Glicina

Figura 24. Representación esquemática de tres de los 20 aminoácidos que configuran a las proteínas.

Biología

Las cadenas de polipéptidos se forman a partir de la combinación de los aminoácidos mediante reacciones químicas; unos con otros enlazan el carbono del grupo carboxilo de una molécula con el nitrógeno del grupo amino de otra. El enlace covalente que une dos aminoácidos se denomina enlace peptídico (figura 25). Cuando dos aminoácidos se combinan se forma un dipéptido; una cadena más larga recibe el nombre polipéptido. (a)

H2N

Enlace peptídico H

CH3 Alanina

OH + H

H2N

H +

Glicina

CH3

OH + H2O

Dipéptido

Figura 25. Enlace peptídico entre dos aminoácidos y la liberación de una molécula de agua.

Cada proteína está constituida por una o varias cadenas de polipéptidos. Puede formarse una variedad casi infinita de moléculas proteínicas. Debe aclararse que una proteína difiere de otra en cuanto al número, el tipo y la secuencia de los aminoácidos que la conforman. Los 20 tipos que se encuentran en las proteínas biológicas podrían considerarse como letras de un alfabeto, de manera que cada proteína sería una palabra integrada por distintas letras.

Estructura de las proteínas

Las cadenas de polipéptidos que componen una proteína pueden estar enrolladas o plegadas, de modo que forman una macromolécula con una conformación específica, tridimensional. En condiciones normales de pH y temperatura, esta conformación se mantiene y es la responsable de las importantes funciones de estas biomoléculas. Las proteínas se clasifican en fibrosas y globulares. En las fibrosas, las cadenas de polipéptidos están dispuestas en láminas largas; mientras que en las globulares, estas cadenas se encuentran plegadas en forma estrecha a fin de producir una molécula compacta o esférica. La mayor parte de las enzimas son proteínas globulares. En cuanto a la complejidad de la estructura de las proteínas, estas presentan diferentes niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. s

gys gys

thr

ile

gys ser leu

ser

tyr gin

val

asn

phe

gin his leu gys gly ser

asn tyr

leu

gys asn

his

leu val glu ala

glu

Estructura primaria. Está determinada por la secuencia o el orden que siguen los aminoácidos, y es de gran importancia, pues la secuencia es la que determina el resto de los niveles estructurales y, por tanto, la función de la proteína. La alteración de la estructura primaria por eliminación, adición o intercambio de los aminoácidos puede cambiar la configuración general de una proteína, y dar lugar a otra diferente. Como, además, la función de la proteína depende de su estructura, un cambio en la estructura primaria puede determinar que la proteína no pueda realizar su función. La secuencia está especificada en nuestros genes; se encuentra determinada por la información genética de la célula. Independientemente de la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo amino terminal y un extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Por convención, la secuencia de una proteína se lee siempre a partir de su extremo amino (figura 26).

gin

gly ile val glu

val leu tyr

gys

gly

glu

arg gly phe phe

tyr thr

leu

arg thr

lys

Figura 26. Secuencia de una cadena polipeptídica. Esta cadena de aminoácidos representa la estructura primaria de una proteína, cada esfera es un aminoácido y está determinada genéticamente.

U1 Organización de la materia viva

Figura 27. Estructura secundaria en forma de hélice α.

Figura 28. Estructura secundaria en forma de lámina plegada β.

Figura 29. La estructura terciaria está representada por los superplegamientos y enrollamientos de la estructura secundaria; estos dan lugar a formas tridimensionales geométricas muy complicadas que se mantienen por enlaces fuertes (puentes disulfuro entre dos cisteínas) y otros débiles (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones iónicas e interacciones hidrofóbicas).

Estructura secundaria. La estructura secundaria de las proteínas implica que las cadenas se pliegan y forman una hélice u otra estructura regular (figura 27). Esta uniformidad se debe a las interacciones entre los átomos del esqueleto regular de la cadena peptídica. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las moléculas de proteína es la llamada hélice α, que implica la formación de espirales de una cadena peptídica. Esta estructura helicoidal se determina y se mantiene mediante puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en los giros sucesivos de la espiral. Otro tipo de estructura secundaria es la denominada lámina plegada beta (β). En esta, los puentes de hidrógeno se establecen entre diferentes cadenas polipeptídicas (lámina intercatenaria); cada cadena en forma de zigzag está completamente extendida y los enlaces de hidrógeno ocasionan la configuración de la estructura en forma de lámina. Pero también se pueden formar láminas plegadas entre regiones diferentes de una misma cadena peptídica (lámina intracatenaria). Esta estructura es más flexible que elástica. La fibroína (proteína de la seda), se caracteriza por su estructura de lámina plegada β; el núcleo de muchas proteínas globulares también está formado por láminas β (figura 28). Estructura terciaria. Las proteínas no se disponen linealmente en el espacio, sino que sufren plegamientos que hacen que la molécula adopte una estructura espacial tridimensional llamada estructura terciaria. Los pliegues que originan la estructura terciaria se deben a ciertos aminoácidos, como la prolina, serina e isoleucina, que distorsionan la hélice y generan una curvatura. La estructura terciaria de una molécula de proteína se halla determinada por cuatro factores que se deben a interacciones entre los grupos R o radicales de los aminoácidos: • Puentes de hidrógeno entre los grupos R de las subunidades de aminoácidos en asas adyacentes de la misma cadena de polipéptidos. • Atracción iónica entre los grupos R con cargas positivas y los de cargas negativas. • Interacciones hidrófobas derivadas de la tendencia de los grupos R no polares a asociarse hacia el centro de la estructura globular, lejos del líquido que los rodea. • Los enlaces disulfuro, que son covalentes (–S–S–), unen los átomos de azufre de dos subunidades de cisteína. Estos enlaces pueden unir dos porciones de una misma cadena o dos cadenas distintas. La estructura terciaria es la más importante desde el punto de vista funcional pues, al alcanzarla es cuando la mayoría de las proteínas adquieren su actividad biológica o función específica. Muchas proteínas tienen una estructura terciaria globular y se caracterizan por ser solubles en disoluciones acuosas, como la mioglobina y muchas enzimas (figura 29). No todas las proteínas llegan a formar estructuras terciarias; en estos casos mantienen la estructura secundaria alargada y dan lugar a las llamadas proteínas filamentosas, las cuales son insolubles en agua y disoluciones salinas, característica que les permite realizar funciones esqueléticas. Entre las más conocidas se encuentran el colágeno

Biología

de los huesos y del tejido conjuntivo; la alfa-queratina del pelo, plumas, uñas, cuernos, etc.; la fibroína del hilo de seda y de las telarañas y la elastina del tejido conjuntivo, que forma una red deformable por la tensión. Estructura cuaternaria. Cuando varias cadenas de aminoácidos, iguales o diferentes, se unen y forman una estructura proteica de orden superior, se disponen según lo que llamamos estructura cuaternaria. También se considera estructura cuaternaria la unión de una o varias proteínas a otras moléculas no proteicas que forman complejos macromoleculares. Esto es frecuente en proteínas con masas moleculares superiores a 50 000. La hemoglobina, proteína de los glóbulos rojos encargada del transporte de oxígeno, es un ejemplo de proteína globular con estructura cuaternaria (figura 30). La estructura de las proteínas determina su actividad biológica; de entre las innumerables conformaciones teóricamente posibles de estas moléculas, generalmente hay una que predomina. Esta conformación es generalmente la más estable y en ese caso se dice que la proteína se encuentra en estado nativo (proteína nativa). La actividad biológica de una proteína puede ser afectada por cambios en su conformación o en la secuencia de sus aminoácidos. Cuando ocurre una mutación (cambio químico en un gen) que ocasiona una variación en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina, puede producirse un trastorno.

Figura 30. Los anticuerpos son glicoproteínas con estructura cuaternaria.

Las alteraciones en la estructura tridimensional de una proteína también modifican su actividad biológica. Cuando una proteína se calienta o se trata con algunas sustancias químicas, su estructura terciaria se distorsiona, la cadena peptídica en espiral se desdobla, y da lugar a una conformación más al azar. Este desdoblamiento se acompaña de una pérdida de la actividad biológica; por ejemplo, de su capacidad de actuar como enzima. El cambio en la forma de la proteína con la consecuente pérdida de su actividad biológica se denomina desnaturalización, y puede ser ocasionada por cambios de temperatura (por ejemplo, al cocer o freír un huevo), variaciones del pH y otros factores. En algunos casos, si las condiciones se restablecen, una proteína desnaturalizada puede volver a su anterior plegamiento o conformación, proceso que se denomina renaturalización. En el cuerpo humano, las proteínas constituyen casi la mitad del peso seco de la célula. En una persona adulta, de 18% a 19% de su peso está formado por proteínas, lo que en una persona de unos 70 kg de peso supone unos 13 kg aproximadamente.

Funciones de las proteínas

Gracias a su gran diversidad estructural, las proteínas asumen funciones muy variadas. Detallar estas actividades equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Se destacan las siguientes funciones:

U1 Organización de la materia viva

Enzimática. La mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La mayoría de las proteínas son enzimas. Hormonal. Muchas hormonas –sustancias producidas por determinadas células y que ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado– son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las que son secretadas por la hipófisis, como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio). Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo. Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. Transporte. En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte; los transportadores biológicos son siempre proteínas. Estas biomoléculas pueden trasladar una molécula hidrofóbica (que repele al agua) a través de un medio acuoso; un ejemplo puede ser el transporte de oxígeno o de lípidos a través de la sangre. También pueden llevar moléculas polares –que tienen carga eléctrica– a través de barreras hidrofóbicas, como es el caso del transporte a través de la membrana plasmática, que estudiaremos más adelante. Estos son solo algunos ejemplos del transporte que realizan las proteínas. Estructural. Las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión. De defensa. La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de diferenciar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir las moléculas de adn que no identifican como propias. En los vertebrados superiores, las

Figura 31. El flagelo de los espermatozoides está conformado en gran medida por proteínas que permiten su movimiento.

inmunoglobulinas se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario. De movimiento. Todas las funciones de movimiento de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Por ejemplo, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas: actina y miosina; el movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos (figura 31). De reserva. Los aminoácidos también tienen función de reserva. Por ejemplo, la ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen reservas de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión. Otro ejemplo es la lactoalbúmina de la leche, que constituye una fuente importante de proteína digerible para los mamíferos recién nacidos. Reguladora. Muchas proteínas se unen al adn y de esta forma controlan la transcripción génica; de este modo se asegura en el organismo la existencia de las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Por ejemplo, las fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina. Otras funciones. Los fenómenos de transducción –cambio en la naturaleza físico-química de señales– están mediados por proteínas. Por ejemplo, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso

Biología

nervioso (una señal eléctrica), y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula.

Actividad de desarrollo

I. Actualmente se publican dietas extrañas que “aseguran” el adelgazamiento a adolescentes o a adultos, las cuales tienen poco o ningún carácter científico. Debemos estar informados sobre lo que requiere nuestro organismo para vivir y no hacer caso de recetas milagrosas para reducir el peso corporal. 1. Investiguen en equipo los siguientes aspectos, utilizando como herramienta la información que se puede obtener a través de Internet. a. Cuáles son los aminoácidos esenciales. b. Cómo es la alimentación de los vegetarianos estrictos. c. Qué aporte de aminoácidos implica una dieta vegetariana. d. Ejemplos de dietas para bajar de peso escandalosas y de dietas recetadas por un médico. Pueden emplear los siguientes buscadores para obtener información, siempre que escriban palabras clave. • www.google.com/ • www.altavista.com/ 2. Realicen carteles en colores para pegarlos en alguna pared de su plantel escolar, previa coordinación con su profesor. Estos carteles deben avisar sobre los peligros nutricionales de las dietas de adelgazamiento no controladas por un médico. Un cartel puede contener la lista de todos los aminoácidos esenciales; otro, una dieta vegetariana. ¡Avisa en el cartel sobre los peligros! Elaboren otro con los componentes necesarios que debe tener una dieta equilibrada. Utilicen imágenes para llamar la atención sobre los carteles. II. Realiza las siguientes actividades y escribe las respuestas en tu cuaderno. 1. Observa la estructura de algunos aminoácidos y escribe los nombres de los grupos funcionales que los forman. 2. Describe cómo se unen los aminoácidos al formar la estructura primaria de las proteínas. 3. Explica cómo se enlazan los aminoácidos en la formación de polipéptidos. 4. Analiza la estructura secundaria de las proteínas e identifica los factores que la determinan. 5. Utilizando cintas de papel (serpentina) construye modelos de estructuras secundarias de proteínas –en espiral y como lámina plegada. 6. Identifica la estructura terciaria de las proteínas y relaciónala con sus funciones biológicas. 7. Analiza y discute con el resto de la clase, junto con tu profesor, la estructura del colágeno.

U1 Organización de la materia viva

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son polímeros lineales donde se repiten unidades moleculares que se denominan nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar pentosa, que puede ser ribosa o desoxirribosa (figura 32); un ácido fosfórico; una base nitrogenada (purina o pirimidina), que puede ser una de estas cinco: adenina, guanina, citosina, timina o uracilo (figura 33).

O O

Fosfato P

5´

4´

Base nitrogenada

1´

3´

2´

Pentosa (azúcar)

Figura 34. Nucleótido cuya base nitrogenada es la adenina.

CH2OH C H

C5H2OH

OH C

H C3

Los ácidos nucleicos están formados por largas cadenas de nucleótidos, enlazados entre sí por grupos fosfato (figura 35). Son las moléculas de mayor tamaño que se conocen y están constituidas por millones de nucleótidos. Contienen la información genética de los organismos y son responsables de su transmisión hereditaria. Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el desoxirribonucleico ( adn) y el ribonucleico ( arn), que se diferencian por el azúcar (pentosa) que llevan: desoxirribosa y ribosa, respectivamente. Otra de sus diferencias son las bases nitrogenadas presentes en ellos, adenina, guanina, citosina y timina, en el adn; y adenina, guanina, citosina y uracilo en el arn. Una última diferencia está en la estructura de las cadenas: en el adn es una cadena doble, y en el arn es una cadena sencilla.

C2 H

H b

Figura 32. Molécula de ribosa (a) y de desoxirribosa (b).

NH2 CH

N O

N H

Citosina

N H

CH3 O

Timina

N H

O N

N HC

CH N

Adenina

N H

H2N

Uracilo

CH N

Guanina

El adn es la clave para la vida porque le da instrucciones a la célula para la elaboración de proteínas específicas para el control; porta toda la carga de la información genética y hereditaria; se autoduplica (se reproduce) y puede sufrir mutaciones al ocurrir alteraciones en su secuencia, además de cambios que se manifiestan en la evolución.

N H

P 5 O 3

Figura 33. Bases nitrogenadas que forman parte de los ácidos nucleicos.

P 5 O 3

La unión de la pentosa con una base nitrogenada constituye un nucleósido. La unión mediante un enlace éster entre el nucleósido y el ácido fosfórico conforma al nucleótido. La unión de los nucleótidos da lugar a los polinucleótidos (figura 34).

P 5 O 3

3 O 5 P 3 O 5 P

3 O 5 P

Cadenas antiparalelas Figura 35. Cadena de nucleótidos unidos por un grupo fosfato.

Biología

La molécula de adn está constituida por dos largas cadenas de nucleótidos unidas entre sí en forma de una doble hélice; se mantienen unidas mediante enlaces entre las bases nitrogenadas de ambas cadenas, que quedan enfrentadas. La unión entre las bases se realiza mediante puentes de hidrógeno, y este apareamiento está condicionado químicamente de forma que la adenina (A) solo se puede unir con la timina (T) y la guanina (G) con la citosina (C) (figura 36).

en la ruptura de las hebras de origen durante la replicación que, de alguna manera, se reordenan en una molécula con una mezcla de fragmentos nuevos y viejos en cada hebra de adn (figura 39). Doble hélice original de adn

moléculas de adn luego de un ciclo de replicación

Base nitrogenada Azúcar Fosfato

G C A

Figura 37. Esquema de la replicación conservativa.

Hélice original de adn

TA TA AT

T TA AT CG C

Hélice de adn luego de un ciclo de replicación

TA G T C C A T

Figura 36. Esquema de la molécula de adn.

Los biólogos estadounidenses Matthew Meselson (1930) y Franklin W. Stahl (1929) diseñaron el experimento para determinar el método de la replicación del adn; propusieron modelos de replicación posibles: conservativa, semiconservativa y dispersiva. La replicación conservativa implica que se produzca un adn completamente nuevo durante la replicación (figura 37). En la replicación semiconservativa se originan dos moléculas de adn, cada una de ellas compuesta de una hebra del adn original y de una hebra complementaria nueva; en otras palabras, el adn queda constituido por una hebra vieja y otra nueva, por lo que las hebras preexistentes sirven de molde complementario a las nuevas (figura 38). La replicación dispersiva consiste

C G

GC TA TA GG

T A

hebra original

GC GC AT TA

Replicación del adn

Cuando se comprobó que el adn era el material hereditario y se descifró su estructura, lo que faltaba por determinar era cómo este ácido nucleico copiaba su información y cómo se expresaba en el fenotipo. El fenotipo es la expresión del conjunto de genes de un organismo (genotipo) en determinado ambiente; incluye los rasgos físicos y de la conducta, así como las características bioquímicas y fisiológicas, por lo que no siempre son visibles.

AT TA CG

hebrea nueva

TA TA GC TA

AT GC GC

GC GC TA

Figura 38. Replicación semiconservativa. (Modificada de National Center for Biotechnology Information).

Hélice original de adn

Hélice de adn luego de un ciclo de replicación

Figura 39. Replicación dispersiva.

U1 Organización de la materia viva

El experimento de Meselson-Stahl consistió en cultivar la bacteria Escherichia coli en un medio que contenía nitrógeno marcado o pesado (15nitrógeno que es más pesado que el isótopo más común: el 14nitrógeno). La primera generación de bacterias se hizo crecer en un medio que únicamente contenía 15N como fuente de nitrógeno. La bacteria se transfirió luego a un medio con 14N. El biólogo y genetista estadounidense James D. Watson (1928) y el biofísico británico Francis H. C. Crick (1916-2004) habían planteado que la replicación del adn era semiconservativa; de ser así, el adn extraído de las bacterias luego de cultivarlas por una generación en 14N tendría un peso intermedio entre el adn extraído del medio con 15N y el del extraído del medio con 14N y así fue. Los detalles del experimento, que incluye un proceso de ultracentrifugación en cloruro de cesio (CeCl2), pueden encontrarse en libros de biología –si quieres conocer más detalles, consulta la bibliografía recomendada al final del libro. La replicación del adn, que ocurre una sola vez en cada generación celular, necesita de muchas enzimas y una gran cantidad de energía en forma de atp. La replicación del adn en el ser humano se realiza a una velocidad de 50 nucleótidos por segundo, en procariotas a 500 por segundo. Los nucleótidos tienen que ser armados y estar disponibles en el núcleo conjuntamente con la energía para unirlos. El inicio de la replicación siempre acontece en un cierto grupo de nucleótidos, y requiere, entre otras enzimas, de las helicasas, para romper los puentes de hidrógeno; de las topoisomerasas, para aliviar la tensión, y de las proteínas de unión a cadena simple para mantener separadas las cadenas abiertas (figura 40).

Una vez que se abre la molécula, se forma un área conocida como burbuja de replicación, donde se encuentran las horquillas de replicación. Por acción de la adn-polimerasa los nuevos nucleótidos entran en la horquilla y se enlazan con el nucleótido correspondiente de la cadena de origen (A con T, C con G). En los procariotas se abre una sola burbuja de replicación, mientras que en los eucariotas son múltiples. El adn se replica en toda su longitud por confluencia de las burbujas. Dado que las cadenas del adn son antiparalelas, y que la replicación procede solo en la dirección 5’ a 3’ en ambas cadenas, numerosos experimentos mostraron que una cadena formará una copia continua, mientras que en la otra se formarán una serie de fragmentos cortos conocidos como fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de manera continua se conoce como cadena adelantada y, la que se sintetiza en fragmentos, cadena atrasada (figura 41).

Síntesis de la cadena adelantada

3' 5'

3' 5' 3' 5'

3' Síntesis de la cadena atrasada

5' Fragmentos de Okasaki 3´ para célula “hija” A

Cadena vieja

adn

polimerasa

5´

Cadena nueva para 3´ célula “hija” 5´ B

Cebador de ARN 5´

Cadena nueva

Figura 41. Acción de la adn-ligasa.

3´ Dirección de la replicación

adn

Cadena vieja adn polimerasa

Figura 40. Formación de las dos nuevas cadenas de adn por la acción de las enzimas helicasa y adn-polimerasa.

Enzima helicasa Topoisomerasa

adn

Para que trabaje la adn-polimerasa es necesario la presencia, en el inicio de cada nuevo fragmento, de pequeñas unidades de arn conocidas como cebadores; después, cuando la polimerasa toca el extremo 5’ de un cebador, se activan otras enzimas, que remueven los fragmentos de arn, colocan nucleótidos de adn en su lugar, y una adn-ligasa los une a la cadena en crecimiento.

Biología

ARN El ácido ribonucleico está constituido por una sola cadena simple y lineal (a excepción del arn de dos cadenas, propio de los retrovirus). El azúcar presente es la pentosa ribosa, y las bases son adenina, uracilo, guanina y citosina (no aparece la timina). El primer nucleótido de la cadena del arn tiene libre el carbono 5’ de la pentosa; y el último nucleótido tiene libre el carbono 3’. Por ello, se afirma que la ordenación de la secuencia de nucleótidos va desde 5’ a 3’ (5’ → 3’). En la figura 42 se muestran todos los nucleótidos que constituyen el arn. Adenina

Extremo 5’ HO 55’’ CH 2 4’ N H H

3’

N 1 6 2 5 3 N 4

2’ OH

7 9 8 N

Uracilo

5’ CH 2

Esqueleto de polirribosa fosfato

2’ OH

4’

3’ HO

Intrones

3’

1 3

6 5 4

9 8 N

2’

CH3 b

O Guanina

5’ N

1’

Extremo 3

Cola de poli A

P O

3’

N 3 4 2 5 1 6 N

5’

P 5’

Citosina

5’ CH 2

4’

1’

P O

Exones

3’ O

HN 3 4 2 5 1 6 N

4’

mensajero. Se simplifica su nombre como arnm. Está constituido por largas cadenas lineales con estructura primaria, que contienen la información, copiada del adn, para sintetizar las proteínas. Se forma en el núcleo celular a partir de una secuencia de adn. Sale del núcleo y se asocia a ribosomas, donde se construye la proteína. Tiene un tiempo corto de vida como promedio. En su estructura, a cada tres nucleótidos (codón) corresponde un aminoácido distinto; el arnm indica la secuencia de aminoácidos y, por lo tanto, el tipo de proteína que se configurará en cada momento (figura 43).

arn

Puente fosfodiéster

1’

En la célula existen cuatro tipos de arn con distintas funciones: arn mensajero, arn ribosomal, arn de transferencia y arn heteronuclear; se forman a partir de un proceso llamado transcripción. El arn es indispensable en la formación de las proteínas (síntesis de proteínas).

Figura 42. Nucleótidos que conforman al arn.

1’

3’

A A A A A A A A A A A A A A A A A A A

Figura 43. Moléculas de arn mensajeros de procariontes (a) y de eucariontes (b).

U1 Organización de la materia viva

Aminoácido leucina 3´

5´ Enlaces de hidrógeno

Anticodón

5´

GA A CUU Codón

Figura 44. arn de transferencia en forma de trébol.

arnm

3´

arn ribosomal. Su nombre se simplifica arnr. Unido a proteínas de carácter básico, constituye los ribosomas. Estos son las estructuras celulares donde se ensamblan aminoácidos y se forman las proteínas, a partir de la información que transmite el arnm. Existen dos tipos de ribosomas: el que se encuentra en las células procariotas, en el interior de las mitocondrias y los cloroplastos; y el que se encuentra en el hialoplasma o en el retículo endoplásmico de las células eucariotas. Cada arnr presenta una cadena de diferente tamaño, con estructuras secundaria y terciaria. arn de transferencia. Se escribe como arnt para abreviar su nombre. Sus moléculas son de tamaño pequeño. En algunas zonas poseen estructura secundaria, por lo cual, donde no hay bases complementarias, adquieren un aspecto de bucles, como una “hoja de trébol” (figura 44). Los plegamientos llegan a hacerse tan complejos, que adquieren una estructura terciaria. Su función es unir aminoácidos y transportarlos hasta el arnm para sintetizar proteínas. Se ubica en el lugar exacto del arnm mediante tres bases, a cuyo conjunto se lo denomina anticodón; las complementarias en el arnm se llaman codón. arn heteronuclear. Su nombre se abrevia como arnhn, y se le llama también heterogéneo nuclear. Agrupa todos los tipos de arn que acaban de ser descritos (pre-arn). Son moléculas de diferentes tamaños, y solo se encuentran en el núcleo de las células eucariotas; no existen en las procariotas. Su función consiste en ser precursoras de los distintos tipos de arn.

Actividad de desarrollo

Escribe los números correspondientes en los círculos de la columna derecha. 1. arnt 2. arnr 3. arnm 4. arnhn

Vitaminas

Sufre procesado posterior. Doble hélice y anticodón. Se asocia a proteínas y forma macroestructuras celulares. Contiene codones.

Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales para el organismo, porque intervienen en el metabolismo y son necesarias para el crecimiento y, en general, para el buen funcionamiento de los seres vivos. Forman parte de hormonas, células sanguíneas, sustancias químicas del sistema nervioso y material genético. La mayoría de ellas no están relacionadas químicamente y ejercen diferentes funciones en las células: como catalizadores, combinadas con las proteínas en la constitución de enzimas activas y otras de gran importancia. Se clasifican en liposolubles e hidrosolubles. En el cuadro 5 se resumen sus funciones en los seres humanos y las enfermedades que puede provocar su carencia.

Biología

Cuadro 5. Características de las vitaminas Hidrosolubles

Funciones

Enfermedades

C (ácido ascórbico)

Coenzima de algunas peptidasas, interviene en la síntesis de colágeno.

Escorbuto.

B1 (tiamina)

Coenzima de las descarboxilasas y de las enzimas que tranfieren grupos aldehidos.

Beriberi.

B2 (riboflavina)

Constituyente de los coenzimas FAD y FMN.

Dermatitis y lesiones en las mucosas.

B3 (ácido pantoténico)

Constituyente de los coenzimas A (Co- A).

Fatiga y trastornos del sueño.

B5 (niacina)

Constituyente de los coenzimas NAD y NADP.

Pelagra.

B6 (piridoxina)

Reacciones de transferencia de grupos aminos.

Depresión, anemia.

B12 (cobalamina)

Coenzima en la transferencia de grupos metilo.

Anemia perniciosa.

Biotina

Reacciones de transferencia de grupos aminos.

Fatiga, dermatitis.

Liposolubles

Funciones

Enfermedades

Vitamina A (retinal)

Regula el ciclo visual.

Xeroftalmia y desecación de mucosas.

Vitamina B (colecalciferol)

Regula el metabolismo del calcio.

Requitismo y osteomalacia.

Vitamina E (tocoferol)

Protección de los lípidos de membrana.

Alteración en las membranas.

Vitamina K (naftoquinona)

Cofactor en reacciones de carboxilación.

Problemas en la coagulación.

Actividad de desarrollo

1. Lee la siguiente información que habla sobre las enfermedades del marasmo y el kwashiorkor. Cuando se abordan temas relacionados con la carencia de biomoléculas en el organismo y las afectaciones derivadas de ella, se piensa generalmente en enfermedades provocadas por deficiencias de vitaminas en la alimentación; entre ellas raquitismo, pelagra, beriberi, escorbuto, etc., y rara vez en las ocasionadas por la carencia de proteínas o de calorías. El marasmo y el kwashiorkor son dos enfermedades muy graves producidas por la desnutrición, debido a la carencia de calorías, en la primera, y de proteínas, en la segunda. Estas enfermedades se desarrollan en regiones del planeta donde el hambre es un mal endémico, que se agrava en épocas de sequía, por los desastres naturales o por las guerras. En bebés en los que se ha sustituido la lactancia materna por biberones acuosos con papilla de algún cereal con pocas calorías, aparece el marasmo, que es una grave deficiencia calórica. Debido a que en ese periodo de la vida la ingesta calórica y proteica es crucial para el desarrollo del niño, cuando se produce esta deficiencia, el crecimiento se detiene: disminuye extremadamente la masa muscular, y se instala debilidad y anemia. Si la dieta calórica aumenta, los efectos producidos por el marasmo desaparecen, aunque el desarrollo del individuo es menor, y su talla y su masa corporal son bajas. El kwashiorkor es ocasionado por una ingesta insuficiente de proteínas. Aparece al cambiar la alimentación del niño, cuando se sustituye la lactancia materna por otro tipo de dieta carente de proteínas. Los niños que sufren la enfermedad muestran retraso en el crecimiento, anemia, inflamación de tejidos por acumulación de agua y degeneración del hígado, el páncreas y los riñones. Estas alteraciones implican una alta tasa de mortalidad infantil. Si el niño se recupera, las secuelas de la enfermedad afectan el desarrollo físico y mental del individuo.

U1 Organización de la materia viva

2. Amplía tus conocimientos respecto a las afectaciones provocadas por carencias o excesos en la alimentación. Para ello puedes acceder a las siguientes direcciones electrónicas: • www.uned.es/pea-nutricion-y-dietetica-I/guia/guia_nutricion/compo_vitaminas.htm • ideasana.fundacioneroski.es/web/es/03/vitaminas/ • www.consumer.es/web/es/alimentacion/en_la_cocina/comer_por_el_mun do/2007/07/04/164319.php También puedes utilizar los buscadores de Google y Altavista. No olvides escribir palabras clave. a. Investiga cuáles vitaminas, por su carencia en el organismo, pueden provocar avitaminosis, y cuáles vitaminas, por exceso, producen hipervitaminosis. b. Escribe en tu cuaderno los nombres de las enfermedades provocadas en cada caso, así como los síntomas. c. Después de completar tu investigación, construye en tu cuaderno una tabla como la del ejemplo donde resumas los resultados. Nombre de la vitamina Nombre de la vitamina

Grupo de vitaminas

Enfermedades

Síntomas característicos

Carencia o exceso de vitamina

tema 4

Estructura y funciones de la célula La palabra célula proviene del latín cellula, que significa “hueco, pequeña estancia”, y es la unidad constitutiva del citoplasma o materia viva. Una sola de ellas puede constituir un individuo y en conjunto forman organismos más complejos. Ya desde el siglo xix, la teoría celular –de los científicos alemanes Matthias Schleiden (18041881) y Theodor Schwann (1810-1882)– sostenía que la célula era un elemento estructural constante en todos los seres vivos, desde los protozoos, constituidos por una solamente, hasta los metazoos y metafitos (animales y vegetales pluricelulares), y que, además, cada una de ellas proviene de otra.

Estructura celular general

Todas las células tienen una estructura común: la membrana plasmática, el citoplasma y el material genético o adn. Se distinguen dos clases de células: procariotas (sin núcleo) y eucariotas; estas últimas mucho más evolucionadas y que presentan núcleo, citoesqueleto en el citoplasma y orgánulos membranosos con funciones diferenciadas. Tanto la célula típica, libre, como algunas que flotan en los fluidos, suelen presentar forma esférica. Algunas especies celulares tienen, por el contrario, otra configuración, como los glóbulos rojos ovalados de algunos anfibios y mamíferos, y los glóbulos rojos bicóncavos del hombre. La forma de las células puede variar también por la acción recíproca entre ellas, al constituir colonias o tejidos, lo cual depende, además, de su diferenciación y de sus funciones. En cuanto a las dimensiones, casi todas son microscópicas: los diámetros máximos varían desde algunas micras (1 micra o µm es igual a la millonésima parte de 1 metro) hasta centímetros. También existen células que son visibles a simple vista, como el huevo de las aves, cuyo volumen está determinado por la enorme acumulación de material de reserva. Las dimensiones de las células no varían respecto a las del organismo del que forman parte; por ejemplo, las células de la mucosa intestinal del ratón no difieren mucho en tamaño del que presentan las análogas del elefante. Constituyen una excepción a esta regla los elementos llamados perennes, como las células nerviosas y musculares, debido a que pierden pronto su capacidad de multiplicarse y como consecuencia no alcanzan nunca un número proporcional al tamaño del organismo al que pertenecen. Antiguamente los biólogos pensaban que las células estaban constituidas por una gelatina uniforme a la que denominaron protoplasma, término que ya no se usa en la actualidad. Desde hace tiempo se hace referencia al citoplasma –material rodeado por la membrana celular– y al citosol o hialoplasma –medio acuoso del citoplasma en el que se encuentran inmersos los orgánulos celulares. El citosol representa aproximadamente la mitad del volumen celular y constituye la parte soluble del citoplasma. El material interno del núcleo se llama nucleoplasma.

U1 Organización de la materia viva

Flagelos

Pili

Citoplasma Nucleoide Cápsula Pared celular Membrana citoplasmática Ribosomas

Figura 45. Estructura de una célula procariota (bacteria).

Con la microscopía electrónica y otras herramientas modernas de investigación, se han ampliado los conocimientos y la concepción acerca de la célula; en la actualidad sabemos que tiene un alto nivel de organización y que es sorprendentemente compleja. Las células poseen su propio centro de control, su sistema de transporte interno, sus fuentes de energía; producen los materiales que requieren y tienen su sistema de autodestrucción, entre otras características que las convierten en unidades funcionales. Dentro de la célula se encuentran también los organelos u orgánulos, suspendidos en el componente líquido del citoplasma y del nucleoplasma; cada organelo está delimitado por membranas. Existen dos tipos de organización de las células: unicelular y pluricelular. A continuación se explican.

Organización unicelular

Son organismos unicelulares todos los procariotas o procariontes y algunos eucariotas o eucariontes del reino Protista (protozoos) y del reino Fungi (levaduras). Estos organismos se caracterizan porque todas sus actividades vitales son desarrolladas por una única célula. Cuando un organismo unicelular se reproduce, inmediatamente da lugar a dos células hijas independientes, que pueden permanecer juntas en una colonia. Células procariotas. El término procariota hace referencia a los organismos del reino Prokaryota, que coincide con el del reino Monera de las clasificaciones de Copeland y Whittaker; estas clasificaciones, aunque resultan obsoletas, son aún muy utilizadas. Las procariotas carecen de núcleo organizado, vacuolas, mitocondrias y otros orgánulos subcelulares, y generalmente son más pequeñas que las eucariotas. Incluyen bacterias y algas verdeazules o cianobacterias (bacterias fotosintetizadoras). El adn de las procariotas está confinado a una o más regiones, que a veces se denominan nucleoides, los cuales no están limitados por una membrana independiente. Poseen una membrana plasmática que separa el contenido celular del medio externo, pero carecen de un sistema de membranas internas en forma de organelos. En algunas, la membrana plasmática se pliega hacia dentro y forma un complejo de membranas internas donde se considera que se llevan a cabo las reacciones de transformación de energía. Algunas procariotas también presentan una pared celular o membrana externa, estructura que encierra a toda la célula, incluida la membrana plasmática (figura 45). También presentan pili o pilos que son estructuras parecidas a vellosidades cuya función es la de adherirse a la superficie de células animales. Células eucariotas. El término eucariota significa “núcleo verdadero”. Estas células presentan un núcleo organizado y limitado por una membrana, donde se encuentra el material genético, el adn. También poseen organelos limitados por

Biología

membranas que dividen el citoplasma celular en compartimentos (figura 46). Algunos organelos solo se presentan en determinadas variedades celulares específicas; por ejemplo, los cloroplastos que atrapan la luz solar y la convierten en energía que puede ser utilizada por la célula, se hallan en las células que realizan fotosíntesis. Los organelos especializados de las células eucariotas les permiten resolver algunos de los problemas relacionados con su gran tamaño –como síntesis de proteínas, funciones especializadas de señalización que estas realizan, funciones de respiración celular en las mitocondrias, etc.– de manera que pueden ser considerablemente más grandes que las células procariotas. Virus y viroides. Un virus o virión consiste en un filamento de adn o de arn –nunca ambos ácidos nucleicos en un mismo virus– contenido en una envoltura proteica de forma geométrica denominada cápside o cápsida, que está integrada por un conjunto de subunidades idénticas, los capsómeros, dispuestas en mosaico; aunque también pueden presentarse desnudos, como es el caso de los viroides. Los virus no poseen la condición de células, debido a que no tienen la capacidad de moverse por sí mismos ni la de metabolizar de manera independiente: solo viven cuando han infectado una célula, a expensas de esta (figura 47). Los viroides son formas primitivas de virus, causantes de una docena de infecciones en vegetales que afectan a tubérculos, cítricos y también producen el enanismo del crisantemo. Son fragmentos de arn desnudo (nunca tienen cápside) y además no codifican ninguna proteína.

Cilios

Vacuola alimentaria Macronúcleo Surco oral Vacuola alimentaria en formación

Micronúcleo

Vacuola contráctil

Poro anal

Figura 46. Ejemplo de organismo unicelular eucariota.

Organización pluricelular

Son organismos pluricelulares todos los que están constituidos por un conjunto de células originadas por la proliferación de una célula inicial, cigoto o célula huevo. Al reproducirse, todas las células resultantes tienen la misma información genética, aunque sufren un proceso de diferenciación que da lugar a distintos tipos celulares. Las células especializadas de los seres pluricelulares están organizadas en tejidos; a su vez, las distintas variedades de tejidos se asocian en la realización de funciones aún más especializadas y complejas en los órganos, y estos órganos forman un aparato o un sistema. Tejidos vegetales. Los vegetales presentan dos tipos de organización celular bien diferenciados. Los hongos, las algas y las plantas no vasculares, en general carecen de verdaderos tejidos y vasos; las divisiones celulares tienen lugar en un plano y los nutrientes llegan directamente a todas las células sin necesidad de un sistema especializado de transporte: es la organización tipo talo (infográfico 3). Las plantas vasculares, adaptadas ya a la vida terrestre y aérea, son las que tienen verdaderos tejidos diferenciados; su organización es de tipo cormo, con raíces, hojas y tallos verdaderos, los tres órganos de las plantas superiores o más evolucionadas.

Virus del sarampión

Herpesvirus

Virus de la rabia

Virus del mosaico del tabaco

Bacteriófago Figura 47. Ejemplos de virus.

U1 Organización de la materia viva

Infográfico3

Organización pluricelular vegetal TALO Y CORMO TALO: cuerpo vegetativo

Algas pluricelulares Hongos Líquenes Briófitas

Tipo de organización basado en el hábito o aspecto externo, caracterizado por una relativa simplicidad en la forma, sin diferenciación de órganos o con órganos simples. CORMO: tallo, hoja y raíz

Pteridófitas (helechos) Espermatófitas

Tipo de organización basado en el hábito o aspecto externo, caracterizado por una relativa complejidad en la forma, externamente diferenciado en órganos, con nivel de organización vascular.

Tejidos animales. Generalmente, los tejidos animales se clasifican en cuatro tipos fundamentales: epitelial, conectivo, muscular y nervioso. Otras clases de tejidos como el óseo o la sangre, son formas de tejido conectivo. Los tejidos se organizan en órganos especializados en un tipo de actividad (corazón, estómago, etc.): un determinado órgano puede estar constituido por varios tejidos diferentes. Un conjunto de órganos que trabajan coordinadamente y que pueden desarrollar una función específica (por ejemplo, la respiración), constituye un aparato (aparato respiratorio, digestivo, etc.). Un conjunto de órganos de la misma clase de tejidos y distribuidos por todo el organismo con una misma función es lo que se llama sistema (sistema nervioso, endocrino, etc.).

Actividad de desarrollo

1. Dibuja en tu cuaderno un esquema de una célula eucariota y escribe los nombres de cada estructura. 2. Especifica las funciones de tres de esas estructuras.

Estructura y funciones de la membrana plasmática

Para llevar a cabo las reacciones químicas necesarias en el mantenimiento de la vida, la célula requiere un medio interno apropiado. Esto es posible debido a que existe una membrana plasmática que limita este medio interno del ambiente que rodea a la célula. También la presencia de membranas internas en las células eucariotas proporciona compartimientos adicionales que demarcan espacios donde realizan actividades bioquímicas altamente específicas, imprescindibles en el buen funcionamiento celular. Estructura de la membrana. En la composición química de la membrana intervienen básicamente lípidos, proteínas y carbohidratos en proporciones aproximadas de 40, 50 y 10%, respectivamente. Los lípidos constituyen una doble capa, y las proteínas se disponen de modo irregular y asimétrico entre ellos. Estos componentes presentan movilidad, lo que confiere a la membrana un elevado grado de fluidez. Los carbohidratos desempeñan funciones de reconocimiento celular principalmente. Por el aspecto y el comportamiento, este tipo de membrana se denomina modelo de mosaico fluido. En la figura 48 se puede apreciar la estructura específica de la membrana (los fosfolípidos, el colesterol y los glucolípidos) y los otros elementos presentes en ella.

Biología

Gluco-proteína

Carbohidrato Colesterol

Bicapa de fosfolípidos

Proteína de transporte

Figura 48. Representación esquemática del modelo de mosaico fluido de la membrana.

• Los fosfolípidos son los componentes más abundantes y su función es principalmente estructural. Debido a su carácter anfipático (tanto repelen como atraen agua), se autoensamblan de forma espontánea en dos capas. Presentan una alta movilidad lateral y de giro sobre sí mismos, lo cual otorga gran fluidez a la membrana. • Los glucolípidos son menos abundantes y también tienen carácter anfipático y su componente hidrocarbonado está siempre orientado a la cara externa de la membrana; intervienen en procesos de reconocimiento y señales entre células. • El colesterol: se asocia a los lípidos y disminuye la fluidez de la monocapa, por lo que mantiene estable la bicapa. Otros componentes de la membrana son las proteínas, responsables de la mayoría de las actividades de esta estructura. Se clasifican según su disposición en integrales y periféricas. • Las integrales o intrínsecas pueden asociarse a la membrana por una cara, mediante un grupo o sector lipofílico; cuando atraviesan totalmente la membrana, y presentan dos regiones polares (a ambos lados), se denominan proteínas transmembranosas. • Las periféricas o extrínsecas son solubles y se asocian mediante interacciones débiles a otras proteínas integrales o a lípidos de la membrana. El glucocálix es el conjunto de cadenas de oligosacáridos pertenecientes a los glucolípidos y a las glucoproteínas de la membrana. Están presentes solo en la cara externa de la membrana, lo que proporciona a esta una estructura asimétrica, ya que ambos lados son distintos. Su función es actuar como señales que son reconocidas por las células. Funciones de la membrana. La célula necesita intercambiar sustancias con el medio externo para poder subsistir y debido a que la bicapa lipídica de la membrana solo permite el paso de moléculas lipófilas, las proteínas se encargan de regular el paso selectivo de moléculas polares. Existen dos maneras mediante las cuales se puede realizar el transporte de sustancias a través de las membranas: transporte pasivo y transporte activo (figura 49).

U1 Organización de la materia viva

alta concentración de solutos

atp

baja concentración de solutos medida medida por por canal transportador difusión simple

difusión facilitada

transporte activo

transporte pasivo

Figura 49. Tipos de transporte a través de la membrana celular.

• En el transporte pasivo la difusión de sustancias es siempre a favor de su gradiente, de donde hay más adonde hay menos. Dicho gradiente puede ser de concentración o eléctrico. El gradiente electroquímico es originado por la suma de ambos y puede dar lugar a dos tipos de difusión: la difusión simple, que es cuando las moléculas pasan a favor de su gradiente electroquímico; y la difusión facilitada, que es cuando el transporte de moléculas se realiza mediante proteínas de membrana; en este caso, el paso de pequeños iones se realiza a través de canales proteicos (se facilita el paso de moléculas polares mediante proteínas transportadoras o permeasas). • El transporte activo tiene lugar cuando las sustancias se mueven en contra de su gradiente electroquímico, por lo que siempre se requiere un gasto de energía. Las proteínas transportadoras se denominan bombas. La bomba de Na+ y K+ es un ejemplo de transporte activo. En general, las funciones de la membrana son las siguientes: • Servir de barrera semipermeable que permite el paso selectivo de moléculas hacia el interior o el exterior de la célula, según las necesidades. • Proteger la célula. • Permitir la existencia de compartimentos en el interior de la célula. • Regular el transporte desde la célula y hacia la célula y los dominios subcelulares, donde pueden tener lugar reacciones enzimáticas de una forma estable. • Servir de receptor de señales de determinadas moléculas y enviar estas señales al citoplasma. • Permitir el reconocimiento celular mediado por moléculas de carbohidratos, lo que constituye la base química para el reconocimiento mutuo entre las células; de esos glúcidos se valen tanto las bacterias, para identificar su célula hospedadora, como las células del sistema inmunitario, para distinguir el tejido enfermo. • Mantener la configuración celular y servir de anclaje a los filamentos del citoesqueleto. • Servir de sitio para la catálisis enzimática. • Permitir el paso de ciertas moléculas a través de canales o ciertas uniones. • Regular la fusión de una membrana con otra por medio de uniones especializadas. • Permitir direccionar la motilidad de algunas células u orgánulos, pues es el sitio de anclaje de los cilios y flagelos.

Actividad de desarrollo

1. Reunidos en equipo, investiguen y elaboren un resumen sobre la estructura de la membrana celular y los compuestos orgánicos presentes en ella. 2. Relacionen las principales funciones de la membrana celular y la importancia para los organismos. 3. Investiguen las funciones que desempeñan cada una de las moléculas orgánicas presentes en la membrana celular y su importancia. 4. Preparen un informe sobre los resultados obtenidos en esta actividad y preséntenlos al resto del grupo, previa coordinación con el profesor.

tema 5

Metabolismo: energía y enzimas Se denomina metabolismo al conjunto de reacciones químicas y procesos energéticos que tienen lugar en los seres vivos y que permiten su correcto funcionamiento y reproducción. Cada una de esas reacciones requiere la acción de enzimas que dirigen las transformaciones de unas sustancias en otros productos, y en energía. El conjunto de reacciones químicas y enzimáticas que se desarrollan en el organismo se denomina ruta o vía metabólica. El metabolismo comprende dos fases: catabolismo y anabolismo. El catabolismo consiste en la degradación de sustancias en otras más pequeñas, con liberación de energía. El anabolismo es la fase de construcción de sustancias complejas, y en ella se emplea energía. Las reacciones fisicoquímicas que suceden durante el metabolismo son catalizadas por sustancias proteínicas denominadas enzimas, las cuales actúan regulando la velocidad de las reacciones que se producen dentro de las células. Como cada enzima cataliza una reacción biológica a la vez, existen tantas enzimas como reacciones se lleven a cabo. La sustancia sobre la que actúa la enzima se denomina sustrato. Este sustrato sufre una transformación química reversible y se convierte en uno o más productos diferentes. La enzima no sufre modificación alguna: sustrato + enzima

D enzima + producto

Las enzimas actúan modificando las moléculas del sustrato a fin de que sean más reactivas, se unan a otros átomos, etc. Por ejemplo, la enzima anhidrasa carbónica cataliza la conversión de dióxido de carbono en bicarbonato y en hidrogeniones; provoca que la reacción sea más rápida: anhidrasa carbónica: CO2 + H2O

D H2CO3 D HCO3- + H+

El sustrato se une a la enzima a través de numerosas interacciones débiles como puentes de hidrógeno, electrostáticas, hidrófobas, etc., en un lugar específico, el centro activo. Este centro es una pequeña porción de la enzima, constituida por aminoácidos que interaccionan con el sustrato. Algunas enzimas actúan con la ayuda de moléculas o elementos no proteicos; estos pueden ser cofactores y coenzimas. • Son cofactores cuando se trata de iones o de moléculas inorgánicas. • Son coenzimas en el caso de las moléculas orgánicas; muchas vitaminas funcionan como coenzimas; y realmente las deficiencias producidas en el organismo por la falta de vitaminas responden a que no se puede sintetizar una determinada enzima en que la vitamina es la coenzima.

U1 Organización de la materia viva

Las enzimas se clasifican según la reacción que catalicen (cuadro 6). Además, tanto en la medicina como en la industria química, la alimentaria y en la agricultura, entre otras actividades humanas, las enzimas se han convertido en herramientas prácticas; desempeñan importantes funciones, incluso en la esfera doméstica cotidiana. En la preparación de alimentos se emplean enzimas suavizantes de la carne, como la papaína (que se obtiene de la fruta papaya); en la limpieza se utilizan las proteasas y las lipasas, que degradan proteínas y grasas, respectivamente, y que son incorporadas a los detergentes con estos fines. Cuadro 6. Clasificación de las enzimas Clase

Tipo de reacción catalizada

Oxidorreductasas

Reacciones de óxido-reducción: transferencia de electrones (iones hidruro o átomos de hidrógeno); si una molécula se reduce, tiene que haber otra que se oxide.

Transferasas

Reacciones de transferencia de grupos funcionales: aldehído, acilo, glucosilo, fosfato (conocidas como cinasas).

Hidrolasas

Reacciones de hidrólisis (transferencia de grupos funcionales al agua). Transformación de polímeros en monómeros. Reaccionan sobre enlaces éster, glucosídico, peptídico y C–N.

Liasas

Adición de grupos a dobles enlaces, o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos entre C y C, C y O, C y N.

Isomerasas

Transferencia de grupos dentro de moléculas, dando lugar a formas isoméricas.

Ligasas

Formación de enlaces C–C, C–S, C–O y C–N mediante reacciones de condensación acopladas a la ruptura de la molécula de atp.

Actividad de desarrollo

En esta actividad investigarás sobre la actividad enzimática. Para ello debes utilizar un laboratorio virtual, donde vas a desempeñar el papel de un científico con una tarea algo complicada: investigar cómo varía la actividad de las enzimas al variar el entorno donde trabajan. Accede a la dirección siguiente para realizar esta tarea: www.juntadeandalucia.es/averroes/~04000110/biotic/wq/enzimas_activ_1bach.htm

¡Aplícalo! La película de la cbs Extraordinary measures (en español Medidas extraordinarias o Decisiones extremas) está inspirada en la historia real de John Crowley, un hombre que desafió el saber convencional y que arriesgó el futuro de su familia para conseguir que se curaran de la grave enfermedad que les amenazaba. John Crowley (Brendan Fraser) es un hombre de origen humilde que ha conseguido llegar a la cima del éxito empresarial. Casado con Aileen (Keri Russel) y padre de tres hijos, su vida se desmorona cuando a dos de ellos se les diagnostica la enfermedad de Pompe. Con tal de salvar la vida de los pequeños, el matrimonio decide confiar en un científico poco respetado, el doctor Robert Stonehill (Harrison Ford), que busca probarse a sí mismo y sus teorías científicas con estos pequeños. Ambos hombres, John y Robert, se enfrentan en la prueba final, cuyas consecuencias afectarán el destino de los hijos de Crowley y Aileen. Después de ver la película, discute y analiza con el grupo y tu docente sobre los dilemas éticos y científicos que se plantean, tales como el pago a un investigador por una investigación particular y el desafío a los comités de ética que rechazan las actitudes del científico. ¿Qué harías si algún pariente cercano padeciera esta enfermedad?

tema 6

Fotosíntesis y respiración celular Antes de iniciar el estudio de este tema, es necesario recordar en qué consisten las dos fases del metabolismo: anabolismo, que es el proceso mediante el cual se realizan las reacciones de síntesis de los compuestos necesarios para el crecimiento y desarrollo de células y tejidos; y el catabolismo, que es el conjunto de reacciones que permiten la liberación de energía contenida en las biomoléculas, necesaria para las funciones del organismo. A través de este tema estudiaremos ambos procesos: fotosíntesis (proceso anabólico) y respiración celular (proceso catabólico).

Fotosíntesis

La construcción de biomoléculas exclusivas solo pueden llevarla a cabo los seres vivos a partir de la captura de determinadas sustancias del medio en que viven. Muchos de ellos solo pueden nutrirse a expensas de la ingestión de otros seres vivos; mientras que otros son capaces de elaborar sus propios nutrientes y los de los demás. Nuestra vida en el planeta Tierra depende de la función de determinados organismos muy especiales, que son capaces de fabricar sus propios compuestos orgánicos a partir de la luz solar y de nutrientes inorgánicos que obtienen del suelo y del ambiente. Se trata de las plantas verdes y de ciertas algas que realizan la fotosíntesis, por lo cual se les llama organismos fotosintetizadores; estos tienen la capacidad de absorber la energía de la luz del Sol y transformarla en otro tipo de energía que permite formar glúcidos y otras moléculas orgánicas que pasan a constituir sus tejidos. Estos tejidos sirven de alimento a los seres vivos no fotosintetizadores. La fotosíntesis, por lo tanto, es un proceso químico por el cual los vegetales verdes, algunas algas y determinadas bacterias captan la energía luminosa que procede del Sol y la convierten en energía química. Las plantas poseen un pigmento de color verde llamado clorofila, que se encuentra en los cloroplastos de las células. Es este pigmento el que posee la capacidad de absorber la energía de la luz solar y cederla para la elaboración o síntesis de carbohidratos como la glucosa, a partir de dos compuestos disponibles en el medio ambiente: agua y dióxido de carbono. Además, en este proceso se produce oxígeno que es liberado a la atmósfera, hecho de fundamental importancia para la vida, ya que mantiene el vital elemento en el medio ambiente y permite el desarrollo de la respiración de todos los seres vivos. De la fotosíntesis depende la oxigenación del planeta y la alimentación de todos los organismos: los herbívoros en forma directa y los carnívoros y carroñeros en forma indirecta. Este proceso biológico es un factor fundamental en el equilibrio vital de la biósfera. La representación general de la reacción química del proceso fotosintetizador es la siguiente: 6CO2 + 6H2O

luz solar clorofila

C6H 12O6 + 6O2

U1 Organización de la materia viva

Seis moléculas de agua más seis moléculas de dióxido de carbono, en presencia de luz solar y de clorofila, producen una molécula de glucosa y seis moléculas de oxígeno; estas últimas son liberadas hacia la atmósfera. A partir de la glucosa obtenida por fotosíntesis se forma almidón, celulosa y otros carbohidratos esenciales en la constitución de las plantas. Por medio de ese conjunto de reacciones también se elaboran otras sustancias orgánicas, como las proteínas y los lípidos que las células vegetales necesitan para vivir, crecer y reproducirse. La fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos de las células vegetales (figura 50). Dentro de estos se encuentran los tilacoides, que son sacos o vesículas aplanadas inmersas en una solución llamada estroma. En la membrana de los tilacoides se hallan los pigmentos fotosintéticos, como clorofila, carotenos y xantinas. En su interior se realizan las reacciones de captación de la luz de la fotosíntesis. Las pilas de tilacoides forman el grana de los cloroplastos (figura 51).

Figura 50. Cloroplastos en el interior de células vegetales.

Tilacoides Grana

Fases de la fotosíntesis

La fotosíntesis consta de dos fases: fotoquímica y bioquímica. La fase fotoquímica también se denomina lumínica, y ocurre en los tilacoides del cloroplasto, donde la energía de la luz solar captada por la clorofila se almacena en dos moléculas: atp (adenosín trifosfato) y nadph (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Estas dos moléculas son las encargadas de transformar el agua y el dióxido de carbono en compuestos orgánicos reducidos, como la glucosa, con liberación de oxígeno. Es en la fase lumínica donde se produce la descomposición del agua y se liberan electrones.

Estroma

Figura 51. Estructura interna de un cloroplasto.

NH2 N

C C

Enlaces de alta energía

C N O

O-

CH2 H

Figura 52. Estructura de la molécula de adenosín trifosfato.

O-

H O

O-

La fase bioquímica es la fase de fijación del dióxido de carbono. Se desarrolla en el estroma del cloroplasto, donde el atp y el nadph son utilizados en la asimilación del CO2 atmosférico para la producción de sustancias, principalmente glucosa. El atp es una molécula que almacena bastante energía (figura 52). Pertenece al grupo de los nucleótidos, formado por una base nitrogenada (adenina), un monosacárido de cinco carbonos (ribosa) y un grupo fosfato con enlaces de alta energía. A través de un proceso catabólico, es decir, mediante la transformación de moléculas complejas en otras más sencillas, se libera la energía almacenada en los enlaces de fosfato.

Biología

Infográfico4

Fotosíntesis 1. Las plantas toman agua y sales del suelo Las plantas necesitan absorber agua a través de la raíz. El agua lleva disueltas sales minerales. La mezcla de agua y sales minerales que entra en la planta se llama savia bruta. 2. E l tallo transporta la savia bruta a las hojas La savia bruta asciende y pasa de la raíz al tallo de la planta. A continuación asciende por los vasos conductores que recorren al interior del tallo, hasta que llega a las hojas.

radiación solar

3 4

3. En las hojas, la savia bruta se transforma en savia elaborada Las hojas realizan el proceso fundamental de la nutrición de las plantas: la fotosíntesis. Por este proceso, la savia bruta se convierte en savia elaborada, que es una mezcla de agua y sustencias orgánicas, principalmente glucosa. Para llevar a cabo esta transformación, las plantas necesitan tomar dióxido de carbono del aire a través de las hojas. También necesitan la luz del Sol, que les da la energía suficiente para realizar el proceso. 4. La savia elaborada se reparte por toda la planta Por último, la savia elaborada, con las sustancias que contiene, se reparte a todas las partes de la planta gracias a los vasos conductores. Así llega a todas las células del vegetal. Estas utilizan la glucosa en su metabolismo y realizan la respiración celular.

El mecanismo de la fotosíntesis se puede resumir de la siguiente manera (infográfico 4): • Las hojas captan la energía lumínica del Sol gracias a la clorofila, pigmento verde presente en los tilacoides de los cloroplastos de las células vegetales. • El dióxido de carbono de la atmósfera penetra por los estomas de las hojas. • Las raíces absorben agua y sales minerales (savia bruta) que llegan a las hojas a través del tallo. • El hidrógeno y el oxígeno del agua se combinan con el dióxido de carbono y originan glucosa y oxígeno. Este último se desprende hacia la atmósfera. • Las plantas aprovechan la glucosa como alimento y guardan una parte como reserva.

Factores que influyen en la fotosíntesis

En el rendimiento de la fotosíntesis influyen varios factores que se explican a continuación. Temperatura. Regularmente, a mayor temperatura, mayor actividad fotosintética se produce, hasta que llega a un punto máximo, superado el cual se pueden desnaturalizar algunas enzimas. La temperatura óptima varía de unas especies a otras. Concentración de dióxido de carbono. A mayor concentración de dióxido de carbono mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un punto en el que se estabiliza.

U1 Organización de la materia viva

Concentración de oxígeno. Al aumentar la concentración de oxígeno baja el rendimiento de la fotosíntesis debido a la fotorrespiración. Intensidad luminosa. En general, a mayor intensidad luminosa, mayor actividad fotosintética, pero cada especie está adaptada a unos niveles de iluminación óptima, de intensidad variable; si se sobrepasan esos niveles, se llega a la saturación lumínica, donde, incluso, podrían deteriorarse los pigmentos fotosintéticos. Color de la luz. El mejor es el que absorbe (y no refleja) la clorofila.

Actividad de desarrollo

Escribe en el círculo la opción que consideres correcta: 1. Durante la fotosíntesis los vegetales devuelven a la atmósfera: a. oxígeno. b. dióxido de carbono. c. agua. 2. Los vegetales realizan la fotosíntesis durante: a. el día. b. la noche. c. las 24 horas. 3. Para que los vegetales puedan fotosintetizar, es fundamental que posean: a. glucosa. b. clorofila. c. dióxido de carbono. d. oxígeno. 4. La fotosíntesis se lleva a cabo en: a. las mitocondrias. b. los cloroplastos. c. los ribosomas. d. el núcleo de la célula. 5. Gracias a la fotosíntesis, los vegetales verdes producen: a. glucosa. b. glucosa y lípidos. c. glucosa, lípidos y proteínas. 6. El atp es una molécula que almacena: a. glucosa. b. oxígeno. c. energía. 7. Por medio de la fotosíntesis, los vegetales obtienen: a. glucosa y oxígeno. b. glucosa y dióxido de carbono. c. oxígeno y dióxido de carbono. 8.

a asimilación de dióxido de carbono para la producción de sustancias, L ocurre: a. en la fase fotoquímica. b. en la fase bioquímica.

Biología

Respiración celular

Los seres vivos requieren de un consumo constante de energía. La respiración celular, proceso que llevan a cabo la mayoría de las células animales y vegetales, implica la degradación de biomoléculas (glucosa, lípidos, proteínas) en moléculas más sencillas, con lo cual se produce la liberación de energía necesaria a las células, de manera que el organismo pueda realizar sus funciones vitales. Parte de esa energía es utilizada para sintetizar atp, que es empleado en procesos anabólicos, para el mantenimiento y el desarrollo. Resulta sorprendente que en cuatro de los cinco reinos de los seres vivos, el metabolismo sea similar. Excepto en los procariontes, la respiración está presente en todos. La respiración consiste en la degradación de la glucosa –o glucólisis– por oxidación del ácido pirúvico a dióxido de carbono y agua; mediante la glucólisis se forma ácido pirúvico. Este ácido se desdobla a dióxido de carbono y agua, y se generan 36 moléculas de atp. El proceso de respiración celular es parte del catabolismo, y, mediante sus reacciones, es liberada de forma controlada la energía contenida en distintas biomoléculas; se oxidan nutrientes de los alimentos y con ello se libera energía. Como resultado, el carbono presente en dichos nutrientes queda oxidado y se transforma en dióxido de carbono que es eliminado hacia la atmósfera. Existen dos tipos de respiración celular según se requiera o no el oxígeno: aerobia y anaerobia, respectivamente. En la aerobia o aeróbica el oxígeno es el aceptor último de los electrones desprendidos de las sustancias orgánicas; es la forma más extendida de respiración, propia de la mayoría de las bacterias y de los organismos eucariotas, a los cuales, como requieren oxígeno, se les considera aerobios. En la respiración anaerobia o anaeróbica no interviene el oxígeno, sino que se emplean otros aceptores finales de electrones, generalmente minerales; esta es propia de algunos procariontes –los cuales se consideran anaerobios–, comúnmente habitantes de suelos y de sedimentos, que desempeñan una importante función en los ciclos biogeoquímicos de los elementos. Existen especies de bacterias que son consideradas facultativas porque se adaptan y sobreviven ante la presencia o la ausencia de oxígeno en el medio que las rodea. En la respiración celular es fundamental el intercambio gaseoso a fin de que se obtenga el oxígeno. Los animales lo toman de la atmósfera a través de órganos especializados (pulmones, branquias). Los vegetales lo hacen mediante aparatos denominados estomas, ubicados en las hojas y cuya estructura será explicada más adelante. La respiración se efectúa durante las 24 horas.

dióxido de carbono oxígeno

Figura 53. En el intercambio gaseoso en plantas, el dióxido de carbono tomado de la atmósfera es mayor que el desprendido por la planta, y el oxígeno generado es mayor que el absorbido.

U1 Organización de la materia viva

Doble membrana

Membrana externa Membrana interna Matriz

Crestas

La cantidad de oxígeno que los vegetales absorben de la atmósfera a raíz de este intercambio es menor que la que desprenden al efectuar la fotosíntesis, y el dióxido de carbono que desprenden también es menor que la cantidad que absorben (figura 53). Durante la noche, momento en que los vegetales no realizan la fotosíntesis, ocurre lo contrario. Mientras que la fotosíntesis provee los carbohidratos necesarios para las plantas, la respiración celular es el proceso donde la energía contenida en esos compuestos es liberada de manera controlada.

Figura 54. Esquema de una mitocondria, donde se observa parte de su estructura.

En la respiración aeróbica, la degradación de glucosa comprende una serie de reacciones. Sin embargo, la ecuación química general se puede representar con la siguiente fórmula, inversa a la de la fotosíntesis: C6H12O6 + 6O2

Estoma cerrado

Estoma abierto

Figura 55. Los estomas son pequeños poros que se localizan en las superficies de las hojas.

Noche respiración

Día predomina fotosíntesis

CO2 O2 CO2

O2 O2 CO2 oxígeno

macroelementos: N, P, K, Ca, Mg, S dióxido de carbono microelementos: Fe, Mn, Cu, Zr, B, Mo

agua

Figura 56. Intercambio de gases en fotosíntesis y respiración vegetal.

6CO2 + 6H2O + 36 atp

La respiración celular se lleva a cabo dentro de las mitocondrias, organelos ubicados en el citoplasma de las células eucariotas (figura 54). Estas estructuras, de forma oblonga y aplastada, procesan el oxígeno y convierten los carbohidratos, ácidos grasos y proteínas de los alimentos en energía. Los vegetales realizan el intercambio de gases con la atmósfera a través de los estomas (figura 55). El término proviene del vocablo griego stoma, que significa “boca”; cada uno está constituido por dos grandes células oclusivas rodeadas de células acompañantes, que dan lugar a pequeños poros en las hojas de las plantas. Se localizan en ambas caras de la hoja, aunque en general se encuentran en mayor cantidad en la cara inferior (envés). La separación que se produce entre las dos células regula el tamaño total del poro. El oxígeno y el dióxido de carbono, intercambiados con la atmósfera a través de estos poros, permiten el desarrollo de los procesos de fotosíntesis y respiración en las plantas (figura 56). Su apertura también provoca la salida de agua en forma de vapor, por el mecanismo de la transpiración, la cual está condicionada por factores ambientales como la luz, la concentración de dióxido de carbono, la disponibilidad de agua en el medio, entre otros; por ejemplo, los estomas se abren cuando la intensidad de la luz aumenta y se cierran cuando disminuye. A continuación se presenta un mapa conceptual que resume las vías de la respiración celular.

Biología

respiración celular

utiliza como comustible a

las proteínas

los lípidos

incluye los procesos de

la glucosa

oxidación de

liberación de

consumo de

se oxida y libera

CO2

obtenido por

energía química

producción de

H2O

eliminado necesaria por para

sistema respiratorio

el organismo

Diferencias y similitudes entre fotosíntesis y respiración celular Los procesos de fotosíntesis y respiración celular tienen aspectos comunes y diferencias; estas últimas se muestran en el cuadro 7. Cuadro 7. Comparación entre fotosíntesis y respiración celular Fotosíntesis

Respiración celular

Se realiza donde hay clorofila.

Se realiza en las partes vivas del vegetal.

Libera oxígeno a la atmósfera.

Consume oxígeno del aire.

Consume dióxido de carbono del aire.

Elimina dióxido de carbono.

Consume agua.

Produce agua.

Se producen alimentos.

Se desintegran y consumen alimentos.

Consume y almacena energía.

Libera energía.

Se efectúa en los tilacoides de los cloroplastos.

Se realiza en las mitocondrias.

Solo se realiza en presencia de luz.

Tiene lugar durante las 24 horas del día.

Transforma la energía luminosa en energía química en forma de atp.

Transforma la energía química en calor y en energía aprovechable.

Las similitudes entre los dos procesos se relacionan a continuación: • Tanto la fotosíntesis como la respiración celular ocurren dentro de organelos celulares. • En ambos procesos siempre están presentes componentes inorgánicos como oxígeno, dióxido de carbono y agua. • Los dos requieren compuestos orgánicos (glucosa y otras moléculas). • Está presente la energía en forma de atp.

U1 Organización de la materia viva

Actividad de desarrollo 1. L ee el siguiente texto sobre la importancia de la biotecnología en la agricultura y la ganadería en nuestros días.

Importancia de la biotecnología en agricultura y ganadería Podemos definir la biotecnología como la aplicación de organismos, componentes o sistemas biológicos para la obtención de bienes y servicios. Esto significa que desde hace miles de años hemos venido realizando biotecnología, aunque de un modo empírico, sin una gran base científica. Algunos ejemplos de estas prácticas ancestrales son: • La domesticación de animales desde el periodo neolítico. •L a elaboración de cerveza por sumerios y babilónicos desde hace más de 8 000 años. •L a fabricación de pan por los egipcios, a partir del trigo, desde el 4000 a. C., aproximadamente. • El conocimiento de los efectos de la fermentación espontánea del mosto de la uva (vino), que aparece en la Biblia, referido al Cercano Oriente en aquellos tiempos. Otros procesos biotecnológicos conocidos de modo empírico desde la Antigüedad son el tratamiento de aguas residuales, la fabricación de queso, el cultivo de champiñones, la fabricación de la salsa de soya, del yogur, etc. La base de muchos de estos procesos era desconocida hasta la llegada de la moderna biología, y en muchos casos hasta el siglo xix. En el siglo xviii cobra cuerpo la idea de que la materia viva puede ser estudiada igual que la materia inanimada, usando el método experimental; con esto se inicia el lento declive de las ideas vitalistas (creencias erróneas de que “la vida depende de un principio vital irreducible a otras ramas de la ciencia”), que aún tuvo a sus últimos seguidores casi al final del siglo xix. Algunos hitos científicos que sentaron la base de la biotecnología contemporánea son: •L os descubrimientos de los primeros microscopistas, como el holandés Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) y el inglés Robert Hooke (1635-1703), quienes describieron los “animálculos” que están fuera del alcance del ojo; no obstante, pasaron casi un par de siglos más para comprender la importancia de estas minúsculas criaturas.

• El descubrimiento de que las fermentaciones se debían a microorganismos, lo cual se debe a Louis Pasteur, a partir de los estudios que realizó entre 1857 y 1876. • La existencia, a finales del siglo xix, de instalaciones industriales para obtener etanol, ácido acético, butanol y acetona, aprovechando las fermentaciones al aire libre en condiciones no estériles. • Las mejoras importantes en las técnicas microscópicas a finales del siglo xix (Edad de Oro de la bacteriología). • El desarrollo de técnicas asépticas, la esterilización y la pasteurización. • La posibilidad de cultivar cada cepa microbiana sin mezclas con otras: cultivos puros en medios de cultivo de laboratorio. • La convergencia de la bioquímica y la microbiología, a comienzos del siglo xx, lo cual permitió establecer las bases enzimáticas y metabólicas de muchos procesos de fermentación; a partir de ese momento se desarrollaron procedimientos industriales para producir enzimas (invertasas, proteasas, amilasas, etc.). Desde la década de 1940, las técnicas de ingeniería química, aliadas a la microbiología y a la bioquímica, permitieron la producción de antibióticos, ácidos orgánicos, esteroides, polisacáridos y vacunas. La penicilina comenzó a fabricarse en plena Segunda Guerra Mundial, como resultado de avances importantes en técnicas de esterilización a gran escala, mejora de las instalaciones de fermentación (incluyendo la aireación), cultivo de hongos, etc. A partir de entonces se diseñaron estrategias para mejorar genéticamente las cepas microbianas industriales. En las décadas siguientes se produjeron antibióticos a gran escala, así como de transformaciones de esteroides y de cultivo de células animales para la producción de vacunas antivirales. En las décadas de 1960 y 1970 se mejoraron los procesos de obtención de pequeños metabolitos, como nucleósidos, aminoácidos y vitaminas; también los procesos de fermentación vieron avances con las técnicas de

Biología

inmovilización de células y enzimas en soportes, y con la fermentación continua para obtener proteína a partir de organismos unicelulares. Además, se obtuvieron industrialmente aditivos a partir de polímeros microbianos tales como los xantanos y dextranos, los cuales han tenido una amplia aplicación en la industria alimentaria.

del maíz (se ha introducido el gen de una toxina bacteriana Bacillus thuringiensis que provoca la muerte de la larva del insecto que ocasiona esta enfermedad); variedad resistente a herbicidas (se ha introducido un gen bacteriano que permite a la planta degradar el herbicida).

Bien avanzado el siglo xx, cuando la genética había resuelto el misterio de la naturaleza del material de la herencia, las posibilidades de actuar sobre dicho material eran limitadas: cruces entre plantas y animales de la misma especie (o de especies similares), selección de los individuos con rasgos deseados, retrocruzamientos (un proceso largo y lento), mutaciones con agentes físicos (rayos uv, rayos X) o químicos, con ulterior búsqueda mediante selección o rastreo (screening) de alguna variante de interés (algo tedioso y frecuentemente infructuoso), etc.

• Transgénicos de la papa: se añaden genes de amaranto a la papa, con lo que esta puede formar proteínas ricas en aminoácidos esenciales y aumentar su valor nutritivo.

Fue en la década de 1970 cuando surgió un conjunto de técnicas de laboratorio revolucionarias que por primera vez permitieron probar procedimientos y herramientas con las que se puede modificar el adn, de acuerdo a diseños previos y objetivos concretos: la llamada ingeniería genética, cuyo nombre exacto es: tecnología del adn recombinante in vitro. Esta tecnología se caracteriza por su capacidad de cortar y empalmar genes o fragmentos de adn de organismos distintos, para crear nuevas combinaciones no existentes en la naturaleza, combinaciones que es posible poner a trabajar en el interior de una variedad de organismos hospederos, para nuestro provecho. Mediante la biotecnología se pueden seleccionar genes concretos, introducirlos en una célula, y conseguir un organismo nuevo que se denomina organismo genéticamente modificado, el cual poseerá las características que le hemos insertado. En la agricultura estas técnicas pueden constituir toda una revolución, ya que las células vegetales son fácilmente manipulables. Los genes seleccionados se introducen en la célula vegetal mediante microinyección o biobalística. Se induce la división celular y, en poco tiempo, podemos tener un nuevo plantón, un organismo genéticamente modificado. Con este sistema se han obtenido importantes variedades transgénicas, entre ellas las siguientes: • Transgénicos del maíz: variedades resistentes a temperaturas extremas; variedades resistentes al taladro

• Transgénicos de arroz: se añade un gen precursor del β-caroteno para obtener vitamina A. Con las variedades obtenidas y con otras muchas podría combatirse la hambruna endémica en distintas zonas del planeta. No obstante, ahora sabemos que también existen inconvenientes, ya que los opositores a los transgénicos afirman que existe la posibilidad de que se desarrolle: • Resistencia a los antibióticos. • Mayor nivel de residuos tóxicos en los alimentos. • Posibilidad de generación de nuevas alergias. • Dependencia de la técnica empleada. • Contaminación de variedades tradicionales. • Muerte de otros insectos o polinizadores. • Impacto ecológico de los cultivos. En la ganadería, la creación de animales transgénicos es un proceso más complicado que con vegetales. Las células animales no son totipotentes (capacidad de una célula de dirigir el desarrollo total de un organismo), por lo que hay que recurrir a un óvulo o a células embrionarias. Los mejores resultados se han obtenido con peces, como el salmón, la carpa y la lubina. A individuos de estas especies se les ha añadido el gen de la hormona del crecimiento, lo que produce un aumento de tamaño del pez en muy poco tiempo. En el salmón se ha introducido otro gen, “el anticongelante”. Así puede ser criado en aguas muy frías. Fuente: Jorge Joel Reyes Méndez.

2. Escribe un comentario de una cuartilla, en tu cuaderno, sobre la importancia y la repercusión de los avances biotecnológicos en la salud y en la biodiversidad biológica.

U1 Organización de la materia viva

Actividad de desarrollo

Escribe en el círculo el inciso que consideres correcto. 1. Durante la respiración los vegetales devuelven a la atmósfera: a. oxígeno. b. dióxido de carbono. c. glucosa. 2. Los vegetales respiran durante: a. el día. b. la noche. c. las 24 horas. 3. La respiración celular se realiza en los organelos denominados: a. lisosomas. b. ribosomas. c. mitocondrias. d. cloroplastos. 4. En la respiración celular: a. se produce agua. b. se elimina dióxido de carbono. c. se consume oxígeno. d. las tres opciones anteriores son correctas. 5. La respiración es aeróbica cuando requiere la presencia de: a. dióxido de carbono. b. oxígeno. c. atp. d. glucosa. 6. Por medio de la respiración celular, los organismos: a. producen energía. b. liberan energía.

Actividad de Cierre

1. Elabora un esquema de los niveles de la materia viva.

2. Define con tus palabras el concepto vida, en qué consiste la biodiversidad y por qué resulta imprescindible defenderla.

3. Responde las siguientes preguntas. a. El carbono y el nitrógeno tienen la misma afinidad para unirse al oxígeno y al hidrógeno. ¿Qué importancia biológica tiene este hecho?

b. ¿Qué otros enlaces, además del enlace covalente, pueden encontrarse en las moléculas orgánicas? Escribe un breve comentario acerca de aquellos que influyen en la estabilización de la estructura terciaria de las proteínas.

c. Relaciona las propiedades químicas de los lípidos.

d. El esquema representa una molécula de progesterona. Nombra sus características químicas y su importancia biológica.

ch3 ch3

O=O

ch3

e. Indica por qué son importantes para los seres vivos las siguientes propiedades del agua: la capilaridad, su incompresibilidad y la elevada tensión superficial.

f. ¿Qué moléculas de entre las estudiadas pueden formar disoluciones coloidales? Indica las diferencias existentes entre los estados de sol y gel.

g. En el recuadro se observa la estructura primaria de una proteína. Coméntala. HO-Ala-Gly-Ser-Lys-Asp-Asn-Cys-Leu-Ser-Lys-Asp-Asn-Cys-Leu-Met-Ala- lle-Trp-Gly-Pro-Asn-Glu-H

h. Entre las propiedades de las proteínas se encuentra la especificidad. ¿En qué consiste esta propiedad?

4. Realiza las actividades siguientes. a. En la figura se representa esquemáticamente la estructura tridimensional de una proteína. Escribe el nombre de los elementos o las estructuras numerados. 2

b. Elabora el esquema de dos moléculas de agua unidas mediante un enlace de hidrógeno. Explica en qué se fundamenta dicho enlace.

c. Haz una tabla como la que se indica y complétala. Fíjate en los ejemplos que se han puesto. Sustancia

Tipo de biomolécula

Macromolécula

Polímero

Monómeros que la constituyen

Tipo de enlace que une los monómeros

Sacarosa

glúcido

monosacáridos

O-glicosidica

Miosina

proteína

sí

aminoácidos

peptídico

Glucosa Insulina Colesterol Hemoglobina adn

Ceras Quitina Testosterona Maltosa

d. Copia el esquema de la siguiente figura. No es necesario que representes las bases pero sí los extremos de las hebras. Dibuja en tu esquema la hebra de adn que se replicará de manera discontinua e indica la polaridad de sus extremos. 5 4

G G

7 C G G 7

A G

5. Responde V (verdadero) o F (falso) según corresponda. 1. Los acilglicéridos no saponifican. 2. La glucosa, la celulosa, el glucógeno y almidón son sustancias energéticas; los seres vivos obtienen energía de ellas o las usan para almacenar energía. 3. Los alcoholes cuando se oxidan se transforman en aldehídos. 4. Los lípidos con ácidos grasos saturados suelen ser líquidos (aceites). 5. Un polihidroxialdehído es un monosacárido. 6. Los bioelementos primarios son C, O, H, N, P y S. 7. En las proteínas que constituyen a los seres vivos hay 20 aminoácidos diferentes.

8. La oxidación de un gramo de grasa libera menos energía que la que se consigue con 1 gramo de glúcido o de proteína. 9. La reducción de los ácidos orgánicos produce aldehídos. 10. Todos los glúcidos tienen sabor dulce. 11. Los fosfolípidos tienen función estructural pues son componentes fundamentales de las membranas celulares. 12. El único aminoácido que no responde a la fórmula general es la prolina. 13. En la molécula de agua el oxígeno tiene una pequeña carga positiva. 14. En los aminoácidos polares básicos, si el pH es básico o neutro, los grupos aminos suplementarios se encuentran cargados negativamente. 15. Los acilglicéridos están formados por la unión de glicerina y ácidos grasos mediante enlaces peptídicos. 16. Los anticuerpos son lípidos. 17. Cuando se representa el ciclo de una aldohexosa perpendicular al plano de escritura, con el carbono 1 a la derecha y el 2 y el 3 hacia delante, si el –OH del carbono anomérico se encuentra hacia arriba del plano de la molécula se tratará de una forma β. 18. Los esteroides son saponificables. 19. Los siguientes elementos químicos son oligoelementos: C, H, Ca y P. 20. Muchas hormonas son proteínas o lípidos. 21. Los aldehídos, cuando se reducen, se transforman en cetonas. 22. El enlace éster se forma entre un alcohol y un ácido orgánico. 23. Los fosfolípidos contienen, entre otras sustancias, ácidos grasos en su estructura. 24. Los fosfolípidos no son sustancias anfipáticas. 25. La insulina es un péptido. 26. Ser sustancias untosas al tacto, tener brillo de aspecto grasoso y ser menos densas que el agua son propiedades de los lípidos. 27. Las ceras son ésteres de un monoalcohol lineal de cadena larga y de un ácido graso también de cadena larga. 28. La quitina es una sustancia estructural, un polisacárido que forma parte de la cubierta o el exoesqueleto de ciertos animales, por ejemplo: los insectos o los crustáceos.

51. En las membranas plasmáticas de los animales no hay colesterol. 52. L a glucosa es una sustancia anfipática. 53. L os oligosacáridos se encuentran entre las sustancias que constituyen la membrana plasmática. 54. U na proteína tiene estructura cuaternaria cuando está formada por varios protómeros o dominios. 55. Si el pH de un medio es 5, este medio es ácido. 56. El almidón, el glucógeno y la celulosa son homopolisacáridos. 57. La estructura terciaria de una proteína se va a estabilizar por la formación de puentes de hidrógeno, interacciones ácido base, puentes disulfuro e interacciones hidrofóbicas. 58. Los elementos químicos que se encuentran en los seres vivos en porcentaje menor del 0 1% se llaman oligoelementos. 59. Dos proteínas que tengan la misma estructura primaria tendrán también necesariamente la misma estructura terciaria, pues estarán formadas por los mismos aminoácidos. 60. Los disacáridos están formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glicosídico. 61. Cuando los fosfolípidos se dispersan en agua formando una monocapa se disponen con los grupos hidrófilos hacia la parte acuosa y la parte hidrófoba de cada molécula hacia el exterior. 62. Los disacáridos cuyo enlace O-glicosídico es dicarbonílico no son reductores. 63. La función amina tiene nitrógeno. 64. Un átomo de carbono con dos enlaces simples y uno doble puede ser asimétrico si los tres sustituyentes son diferentes. 65. El monómero de las proteínas se llama aminoácido. 66. La función ácido orgánico tiene azufre. 67. Los holósidos son glúcidos complejos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno, exclusivamente. 68. El enlace peptídico se forma cuando se unen los grupos amino de dos aminoácidos. 69. Las membranas celulares son, esencialmente, monocapas lipídicas.

Pueden encontrarse los instrumentos para evaluar esta unidad en la p. 184.

JORGE JOEL REYES MÉNDEZ

Biología

Sobre el autor

JORGE JOEL REYES MÉNDEZ es doctor en educación y licenciado en Biología por la Facultad de Ciencias de la unam. Desde 1981 se ha dedicado a la docencia, laborando en instituciones como la Universidad de Toronto, la Universidad de Montreal y los Centros de Capacitación para el Trabajo Industrial (Cecati), entre otras. Es profesor titular en la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Xochimilco. Ha sido conferencista magistral en diversos eventos de organismos de investigación y educación superior y ha coordinado numerosos coloquios, simposios y congresos de carácter académico. Ha formado parte de los comités editoriales de distintas publicaciones de carácter científico y ha sido autor de cuantiosos artículos científicos, materiales didácticos y libros sobre bioquímica.

ISBN 978 607 508 011 6

Bachillerato tecnológico Por competencias

Esta colección se enfoca a desarrollar en los libros que la conforman, los contenidos de los programas para Bachillerato tecnológico surgidos de la riems, basados en el enfoque de competencias. Presenta un diseño completamente renovado que facilita la localización de las secciones y los recursos didácticos mediante identificadores gráficos. De igual forma, el desarrollo de los libros de esta colección se centra en un enfoque teórico-práctico, apegándose por completo a los nuevos programas de estudio.

Aplícalo

Se plantean situaciones de la vida cotidiana en las que los alumnos pueden poner en práctica los conocimientos adquiridos.

Actividades

Pueden ser de apertura, desarrollo y cierre. Se plantean con base en el tema integrador.

Instrumentos de evaluación Se proponen rúbricas, listas de cotejo y guías de observación.