Introducción a la Biología Para I° medios

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Curso:_________________________________

2015

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Departamento de Ciencias Asignatura Biología Profesora Andrea Soto García

Introducción a la Biología

Del griego Bio que significa vida y Logos que significa estudio. La biología es la disciplina científica que estudia todos

los procesos relacionados con los seres vivos y su entorno, no es meramente el estudio de la vida como se le ha

señalado en alguna oportunidad. Se sugiere que usted trate de definir “VIDA”.

Disciplinas Biológicas La Biología es una de las ciencias más complejas que existen, por la naturaleza de estudio (el ser vivo) y por la integración con otras

ciencias como la química, física, matemática. Por ello es que ha surgido una gran cantidad de Disciplinas Biológicas que se encargan de

investigaciones específicas de acuerdo al siguiente criterio:

A nivel Organismo

I. Zoología (estudio de los animales)

• Protozoología: estudia los animales primitivos • Entomología: estudia a los insectos • Ictiología: estudia a los peces • Ornitología: estudia a las aves • Antropología: estudia a los primates y al hombre

II. Botánica (estudio de los vegetales) • Criptología: estudia a las plantas arcaicas sin flores • Briología: estudio de musgos y hepáticas • Pteridología: estudia a los helechos • Fanerología: estudia a las plantas con flores

III.Microbiología (estudio de los microorganismos) • Bacteriología: estudia a las bacterias • Micología: estudia a los hongos • Virología: estudia a los virus

Al nivel de relación Biológica

a. Genética: estudia la transmisión de los caracteres heredados b. Fisiología: estudia el funcionamiento de los sistemas

1. Taxonomía: clasifica a los seres vivos y sus componentes

2. Evolución: estudia a los seres vivos en el tiempo

3. Morfología: estudia las formas y estructuras de los seres vivos • Anatomía • Citología • Histología

4. Bioquímica y Biofísica: ramas paralelas de la biología

5. Embriología: estudia el desarrollo de los seres vivos en estado embrionario

6. Ecología: estudia a los seres vivos en relación con su ambiente

7. Parasitología: estudia a los seres vivos con conducta parásita

8. Paleontología: estudia a los fósiles de seres vivos

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Ciencia y Método Científico

La Biología como las demás ciencias trata de explicar, describir y predecir los fenómenos biológicos de la naturaleza, para ello se basan en

el método científico, que posee muchas variantes, pero que en general tiene los siguientes pasos: ♣ Observación, en la cual se detecta el problema que nos ha llamado la atención en el ámbito natural o teórico.

♣ Planteamiento de un problema, que se logra a partir de lo observado anteriormente. ♣ Hipótesis, que corresponde a establecer las posibles respuestas al problema propuesto anteriormente. ♣ Experimentación, que es la parte medular en las ciencias empíricas como es la biología, química y física, en la cual se somete a un

estudio riguroso a la hipótesis planteada y así comprobar su veracidad. ♣ Análisis y conclusión, se analiza la información obtenida en la experimentación y se sintetiza en una o más conclusiones.

El acto de conocer científicamente puede esquematizarse de la siguiente manera:

a) Descripción del o los fenómenos a explicar

b) Proponer una hipótesis explicativa. Sistema de conceptos capaz de explicar el fenómeno en observación

c) Deducción de otros fenómenos a partir de la hipótesis explicativa

d) Observación de los fenómenos deducidos, distinguiendo las evidencias que apoyan o refutan la hipótesis

Estas etapas no se dan necesariamente en el orden expuesto pero siempre están presentes.

Habilidades necesarias para realizar una indagación científica

• Identificación de preguntas que pueden ser contestadas mediante la investigación científica • Diseñar y conducir una investigación científica • Utilizar herramientas y técnicas adecuadas para recolectar, analizar e interpretar datos • Desarrollar descripciones, explicaciones, predicciones y modelos basados en evidencias • Pensamiento crítico y lógico para hacer relaciones entre evidencia y explicación • Reconocer y analizar explicaciones alternativas y predicciones • Comunicación de procedimientos y explicaciones científicas • Utilizar matemáticas en todos los aspectos de la indagación científica

Niveles de organización Biológica

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Todo en el mundo natural ocupa un sitial en el espacio y posee su propio nivel de complejidad, por ello se hace

necesario establecer cual es organización partiendo desde lo más básico hasta lo más complejo. Un ser vivo no

escapa a esta situación, su complejidad viene dada por su organización anatómica y funcional y por ello se le

analiza desde su punto de vista individual hasta colectivo en los siguientes grados de complejidad creciente, los

cuales son incluyentes entre ellos:

• Átomo: su significado griego literal es “sin división”, se pensó durante muchos años que no existía partícula más pequeña que el átomo,

hoy en día sabemos que no es así y que toda la materia se compone por átomos, los que a su vez se componen por unidades

subatómicas (que son de mayor importancia para la química y la física). Existen más de 100 tipos de ellos que se agrupan en lo que

denominamos la Tabla periódica de los Elementos, generada a partir de los postulados de Mendeleiev.

• Molécula: corresponde a la unión de 2 o más átomos iguales o diferentes, que conforman un nuevo compuesto. Por ejemplo la

molécula más conocida es el agua que está constituida por 2 partes de hidrógeno mas una de Oxígeno, representado como H2O. Existe

una pequeña discrepancia entre ciertos textos respecto a la diferencia entre molécula y compuesto, lo cierto es que es sólo una

nimiedad desde el punto de vista biológico, ya que en el fondo el significado es el mismo, se podría decir que existen moléculas puras,

como el O2 y moléculas compuestas como el H2O.

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• Célula: es la unidad básica en biología, es decir, lo más elemental de los seres vivos. Su nivel de complejidad es mayor, aún cuando está hecha de moléculas simples, pero organizadas de manera compleja. Es el contenedor de lo que llamamos “vida”, pero aun cuando

sabemos mucho de la célula, no sabemos nada de sus misterios moleculares que la hacen funcionar en forma independiente.

• Tejido: es el agrupamiento estructural y funcional de células semejantes o diferentes entre ellas, que se organizan con un objetivo en común, su diversidad es reducida a 5 tipos en animales y 4 en vegetales. Por ejemplo el tejido epitelial y el conjuntivo.

• Órgano: Conjunto de tejidos que conforman una estructura con una función biológica específica y particular, se les puede apreciar a simple vista, como al corazón, los pulmones, etc.

• Sistema: asociación estructural y funcional de varios órganos que cumplen un determinado fin, sin embargo los sistemas son interdependientes, es decir, dependen entre sí, por lo que no se puede vivir con fallas muy graves, lo que se denomina falla sistémica.

• Organismo: máximo nivel de organización a escala individual. Entidad autónoma e independiente, corresponde al agrupamiento de los sistemas que funcionan en forma coordinada e integrada para mantener en vida al ser vivo.

• Población: agrupamiento de organismos de la misma especie que habitan en un lugar y coexisten en un tiempo determinado. • Comunidad: conjunto de poblaciones que cohabitan y coexisten en un momento dado. • Ecosistema: es el nivel más complejo ya que estudia a las comunidades relacionadas con su entorno natural.

Los dos primeros niveles se basan en el estudio de la química biológica (conocida como Bioquímica) y los tres últimos están al nivel de la

ecología aplicada, en tanto que los restantes están en el área de la Morfología, que más adelante se detallará.

Nuestro estudio se iniciará entonces con los primeros niveles de organización biológica, sin embargo, debo destacar que este es un

apunte que parte de un supuesto dominio parcial de conocimientos formales de química, aún cuando se hará una pequeña reseña de

química y bioquímica, pero se aconseja al alumno investigar al respecto, para rescatar algunos conceptos que no queden del todo claros y

profundizar los que le sean de mayor interés, principalmente los aspectos relacionados con química básica, es decir, átomos y enlaces

atómicos. Este material está diseñado para comenzar el análisis de moléculas ya formadas y con funciones eminentemente biológicas.

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CAPITULO I :Química de la Vida Componentes fundamentales de los Sistemas Biológicos

Palabras

Claves

♣ Protoplasma ♣ Bioelementos ♣ Biomoléculas ♣ Carbohidratos ♣ Monómero ♣ Polímero ♣ Buffer o

tampón ♣ pH ♣ Dipolo ♣ Anfótero

♣ Hidrólisis ♣ Proteínas ♣ Metabolismo ♣ Enlace peptídico ♣ Enlace glucosídico ♣ Lípidos ♣ Esteroides ♣ Homeostasis ♣ Catión ♣ Anión

Es responsabilidad del alumno definir las palabras claves y asociarlas con el texto, en algunas

oportunidades se darán el significado, pero no siempre.

VIDA Y SERES VIVOS Este es siempre mi punto de inicio en mis clases, ya indiqué que es muy difícil definir Vida, no es algo conceptualizable es más bien

abstracto, sensorial e incluso extrasensorial, ya que hasta un ciego puede “ver”(entiéndase percibir) algo con vida. En suma ningún biólogo

se atrevería a dar una definición de vida, lo más cerca que se llega es dar características de la misma, pero NO su definición. Lo que si se

puede es definir al Ser Vivo, que es todo individuo que posee Vida. Piensa que somos como un gran frasco de vidrio que tiene aire en su

interior, el aire no es visible (salvo que le agreguemos algo que lo haga visible), sin embargo creemos que hay aire dentro, pero que

ocurriría si nos dicen que el frasco fue sellado al vacío. No habría forma de probarlo ya que si abres el frasco inmediatamente se acaba el

vacío y se llena de aire... en definitiva somos sólo un contenedor de vida, pero no sabemos en que parte se halla o si se disemina en cada

rincón del contenedor. Dicha afirmación es aún más vaga que lo indicado anteriormente, por lo mismo, los Biólogos chilenos Humberto

Maturana y Francisco Varela, intentaron dar una caracterización más exacta del concepto y en su libro “De máquinas y seres vivos”, se

puede extraer una aproximación a la definición de Ser vivo que dice mas o menos así: “Un ser vivo es una Máquina que posee partes

ensambladas y que funcionan ordenadamente con capacidad Autopoyética”. La definición en sí no es aceptada por toda la

comunidad científica, ya que posee términos que a más de alguien molesta, como por ejemplo el de Máquina (esta expresión genera

anticuerpos naturales en la gran mayoría de las personas por el hecho de que a nadie le gusta ser comparado con una máquina, ¿Tú te

imaginas como una maquina?).

Pese a ello debo reconocer que nosotros encajamos perfectamente en el concepto, es cosa de tomar un diccionario, dejar de lado

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nuestros prejuicios y analizarla profundamente y si lo vemos desde la perspectiva materialista, somos máquinas, es más somos

por esencia criaturas, pero tenemos un adjetivo especial que nos diferencia de “otras máquinas sin vida”, que es nuestra capacidad

Autopoyética. Sin lugar a dudas este es el mayor aporte de Maturana y Varela, más que los conceptos iniciales que simplemente

limitan en eje de la definición. Antes de definir autopoyesis, debo hacer un comentario respecto a la ciencia. Nuestro eje de acción se mueve en tres grandes líneas filosóficas

Humberto Maturana egresó en 1947 del Liceo Manuel de Salas, para luego ingresar a la carrera de Medicina en la Universidad de Chile. En 1954 se trasladó al University College London para estudiar anatomía y neurofisiología, En 1958 obtuvo el Doctorado en Biología de la Universidad Harvard, en Estados Unidos. . En 1960 volvió a Chile para desempeñarse como ayudante segundo en la cátedra de Biología de la Escuela de Medicina de la Universidad de Chile. Fundó en 1965 el Instituto de Ciencias y la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile. En 1970 creó y desarrolló el concepto de autopoiesis, que explica el hecho de que los seres vivos son sistemas cerrados, en tanto redes circulares de producciones moleculares en las que las moléculas producidas con sus interacciones constituyen la misma red que las produjo y especifican sus límites. Al mismo tiempo, los seres vivos se mantienen abiertos al flujo de materia y energía, en tantos sistemas moleculares. Así, los seres vivos son "máquinas", que se distinguen de otras por su capacidad de auto producirse. Desde entonces, Maturana ha desarrollado la Biología del conocimiento. En 1990 fue designado Hijo Ilustre de la comuna de Ñuñoa (Santiago de Chile). Además, fue declarado doctor honoris causa de la Universidad Libre de Bruselas. En 1992, junto al biólogo Jorge Mpodozis, plantea la idea de la evolución de las especies por medio de la deriva natural, basada en la concepción neutralista de que la manera en que los miembros de un linaje realizan su autopoiesis se conserva trans-generacionalmente, en un modo de vida o fenotipo ontogénico particular, que depende de su historia de interacciones, y cuya innovación conduciría a la diversificación de linajes El 27 de septiembre de 1994 recibió el Premio Nacional de Ciencias en Chile, gracias a sus investigaciones en el campo de la percepción visual de los vertebrados y a sus planteamientos acerca de la teoría del conocimiento.

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• Materialismo que se basa en la importancia de la materia química y física para el funcionamiento de las cosas, imagínate sin un cuerpo podrías existir. No discutiremos la mirada teológica del espíritu que no debe ser contradictorio con la ciencia, son puntos no mezclados

• Reduccionista, esto significa que buscamos explicaciones desde lo más elemental, lo básico, lo más pequeño. Por eso nuestro primer nivel de organización es el átomo.

• Dialéctica, es una particularidad humana, se refiere a un lenguaje propio e identificable que posee la ciencia, viene desde el griego y latín. Actualmente se está introduciendo mucho la dialéctica anglosajona (Inglés), por ello es importante saber el significado de las palabras, este punto es fundamental para entender ciencias, si sabes lo que estamos hablando ya tienes medio camino avanzado.

Volvamos a lo nuestro, ¿Qué significa Autopoyesis? La respuesta surge desde la dialéctica, en griego Auto significa a

sí mismo o por sí solo, y Poyesis o poiesis, significa mantener, producir, generar.

LUEGO la definición del término puede ser “mantenerse a sí mismo”. Esta es la clave, ya que no existe máquina que

sea capaz de mantenerse a sí misma con un grado de independencia tan alto como la de un ser vivo.

Recordemos que todas las máquinas son dependientes de una fuente de energía (evidentemente contando

previamente con una estructura organizada), pero los seres vivos son los únicos que acceden, por sus propios medios,

a sus fuentes energéticas y es más, son capaces de almacenarlas y crecer de ellas, piensa en los depósitos de grasa que

tiene nuestro cuerpo, son reservas de energía, te imaginas un computador almacenando energía eléctrica, el

computador te puede avisar que le falta energía para su batería, pero no accede por sí solo a un toma corriente, tú lo

debes enchufar, esa es la diferencia. El día que las máquinas no nos necesiten a nosotros para funcionar y mantenerse

será el inicio de nuestro fin. Suena apocalíptico o hasta de película de ciencia ficción, pero esa es la realidad del ser vivo

con respecto a las máquinas.

Todo lo anterior nos demuestra que Maturana y Varela no están equivocados con su definición. Pero

ahora viene la pregunta ¿cómo este conjunto de átomos ordenados puede tener vida propia? Hasta la fecha

ningún biólogo, bioquímico u otro científico ha podido dar con esa respuesta. Tal vez si aceptamos la

premisa de que somos una creación (como todas las otras máquinas), podemos entender entonces

que existen fuerzas mayores que nosotros que no podemos manejar ni entender, yo le llamo

DIOS, pero no creas que es una forma cómoda de evadir la pregunta, es más bien una manera humilde de

aceptar que somos un ente minúsculo dentro de un ordenamiento celestial orquestado por una fuerza más

grande de lo que nuestra estrecha mente puede entender.

Y ¿para qué estudiar biología entonces? Esa debe ser la pregunta recurrente de cualquier alumno

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regular, para lo cual existe una sola respuesta, debemos saber quiénes somos, nuestro conocimiento no

puede limitarse frente a la explicación que otros pueden darnos

Sin embargo una de las grandes contradicciones de la ciencia es que no se puede entender su funcionamiento hasta que algo falla,

debemos desmenuzar, desarmar, romper la estructura para saber cómo opera. ¿Alguna vez has desarmado un juguete con el único fin de

saber cómo funcionaba?, bueno los científicos hacemos lo mismo, pero apoyados en fundamentos del conocimiento universal. De allí que

sabemos que los seres vivos se organizan en base a átomos, los cuales constituyen moléculas que organizan la célula. Estos componentes

químicos de la célula se clasifican en inorgánicos (agua e iones minerales) y orgánicos (proteínas, hidratos de carbono, lípidos y ácidos

nucleicos). El protoplasma (líquido celular básico) de una célula vegetal o animal contiene desde un 65-86% de agua, un 10-12% de

proteínas, 2-3% de lípidos, un 1% de hidratos de carbono y un 1% de elementos inorgánicos.

Los seres vivos disponen para su asimilación, los materiales que se encuentran

formando parte de la litosfera, hidrosfera y atmósfera. Algunos elementos son

constantes, es decir, aparecen siempre en todos los seres vivos. Pueden resultar

imprescindibles para el desarrollo de las funciones vitales. Otros, sólo forman parte de

determinados organismos, siendo en ocasiones innecesarias e incluso perjudiciales.

Aquí es donde debes pensar un poco más, anímate no duele. Todo lo que tiene nuestro

cuerpo proviene del exterior, nada es propio, aun cuando generamos nuestras partes,

las extraemos desde nuestros alimentos o desde el medio ambiente. En la Biblia dice:

“Del polvo vienes y en polvo te convertirás”, seguramente lo has escuchado en algún

responso funerario, son las palabras que el sacerdote nos dice para recordar que no

somos más que materia al momento de fallecer, nuestro espíritu (que puede ser la

vida misma) ya no está en esa materia, por ello debemos reciclarnos.

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ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ENLACES QUÍMICOS BIOQUÍMICA CELULAR

Toda la materia consta de unidades básicas denominadas átomos, los que a su vez poseen otras partes internas, existiendo más de cien

átomos conocidos. Los elementos, son sustancias formadas por un mismo tipo de átomo. Los compuestos, están integrados por

unidades llamadas moléculas, las cuales son asociaciones estrechas de átomos iguales o diferentes unidos de una manera precisa que se

conoce como enlace químico o interacción química. Existen enlaces covalentes, iónicos e interacciones de puentes de hidrógeno,

disúlfuro, etc.

ELEMENTOS QUÍMICOS

Los principales elementos químicos constituyentes de los seres vivos son el Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno (CHON), que por

encontrarse en grandes cantidades en la naturaleza se les ha denominado como Macroelementos, con una abundancia superior al 1%,

distribuidos de la siguiente manera; Carbono 19,3%, hidrógeno 9,3%, oxígeno 62,8% y nitrógeno 5,14%. A ellos se les suman Sodio (Na),

Potasio (K), Cloro (Cl), Calcio (Ca), Magnesio (Mg), Fósforo (P) y Azufre (S), clasificados como Microelementos con un 0,05 a 0,99 % de

concentración. Y finalmente, los Elementos trazas que se encuentran en cantidades insignificantes, inferior al 0,05%, entre los que

encontramos al Molibdeno (Mo), Manganeso (Mn), Cobre (Cu), Boro (B), Zinc (Zn), Fierro (Fe), Vanadio (V), Silicio (Si), Cobalto (Co), Yodo

(I), etc.

Estos elementos químicos por encontrarse formando parte de los seres vivos, se les conoce como BIOELEMENTOS, de los cuales, 20 son

considerados esenciales, vale la pena destacar que nuestro cuerpo no es capaz de producir ningún elemento químico de los existentes en la

naturaleza, lo cual significa que de todos los elementos que hay, 20 de ellos son básicos para que un ser vivo exista, sin los cuales no se

genera. Luego, puedo afirmar categóricamente que los seres vivos no son más que una suma de átomos dispuestos en forma ordenada y

armónica y cuando este orden se rompe o se desorganiza, el ser vivo deja ser tal. Con esto no me refiero al concepto de vida, que es en sí es mucho más complejo.

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1. COMPUESTOS

QUÍMICOS

COMPUESTOS INORGÁNICOS: Corresponden a todos aquellos componentes de la materia que no son elaborados por los seres vivos,

encontrándose en estado libre en la naturaleza, formando parte de los materiales inertes y de seres vivos, en estos últimos, son

absolutamente indispensables, entre éstos tenemos al agua y las sales minerales.

1.1. AGUA: El agua es la sustancia más abundante que forma parte de los seres vivos. Una medusa y una sandía tienen un 98% de agua

en sus cuerpos. En la mayoría de ellos, alcanza a un 75% y en otros es muy escasa, tal es el caso de las semillas, huesos y dientes. En

resumen constituye entre el 50% y el 90% de la masa corporal de los seres vivos y ocupa el 75% de la superficie del globo terrestre.

Su composición consta de dos partes de hidrógeno por una de oxígeno unidos mediante un enlace covalente polar (buscar información

química), que se produce cuando existe una alta diferencia de electronegatividad entre un átomo y otro, en este caso entre el oxigeno (-2)

y el hidrogeno (+1), que genera que los electrones se asocien fuertemente cerca del oxigeno produciendo una diferencia de potencial entre

los átomos. Como resultado de la distribución asimétrica de las cargas, una molécula de agua actúa como DIPOLO. Ello origina una mutua atracción

entre sí, formando puentes de hidrógeno entre ellas y con otras moléculas que posean carga. Puede adherirse electrostáticamente (como lo

hace un imán) mediante puentes de hidrogeno a otras moléculas con características polares semejantes al agua, como por ejemplo a los

grupos amino y carboxilo de una proteína (-NH2 y -COOH respectivamente). La molécula, se dice, que es neutra (carga neta 0), pero DIPOLAR, es decir, tiene carga eléctrica parcial negativa y positiva a la vez, por

lo mismo es conductor e interacciona con otras moléculas polares, como se indicó antes. Imagina ese juego que apareció hace poco

tiempo, los “Magnetics”, de esa forma las moléculas interactúan, uniéndose o repeliéndose.

La fórmula química H2O no representa exactamente al agua, sino a la molécula de vapor de agua. El agua en estado líquido corresponde a

la unión de millones de moléculas unidas por puentes de hidrogeno, la mejor representación correspondería a (H2O)n.

El contenido de agua de la célula puede considerarse como formado por una fracción LIBRE y otra LIGADA. El agua libre representa el 95

% del agua total y es la parte usada principalmente como solvente para los solutos y como medio dispersante del citoplasma celular. El

agua ligada representa sólo el 4 – 5 % y es la que está unida laxamente (débilmente) a las moléculas polares. Por ejemplo, a las proteínas

se adhiere por puentes de hidrógeno, dicho de una forma simple, cuando las moléculas están humectadas o hidratadas, imagina un bistec

en un plato, todo el jugo que le sale es el agua ligada, pero aún así sigue húmedo, es por que tiene un mayor porcentaje que es agua libre.

Entre algunas de las más importantes funciones del agua, podemos destacar las siguientes:

• Medio normal de transporte de las sustancias que entran y salen tanto al organismo como a la célula, proporciona plasticidad a los tejidos, determinando en gran parte su forma.

• Permite el almacenamiento de calor para estabilizar la temperatura corporal o la extracción de calor por medio de la evaporación. • Todas las reacciones bioquímicas se realizan en un medio acuoso, siendo el principal solvente de las sales inorgánicas. • Al nivel de los organismos superiores, mantiene la constancia interna de los líquidos internos, cuyo proceso se denomina HOMEOSTASIS

y forma parte de la sangre, linfa, líquido cefalorraquídeo, jugo gástrico y pancreático, saliva, orina, heces fecales, etc.

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La molécula posee fuerzas de interacción que son: Fuerzas de Cohesión: Gran acercamiento intermolecular, genera alta tensión superficial

Fuerzas de Adhesión: Permiten unirse a otras moléculas polares.

Ambas fuerzas se combinan y proporcionan las siguientes propiedades:

• Capilaridad: explica el proceso de transpiración vegetal y absorción de agua por las plantas • Imbibición: Capacidad de mojar. (embeber) • Calor específico: es el doble que el aceite y alcohol, cuádruple al aire y 10 veces el del Fierro. Por esta razón es un buen amortiguador

en las variaciones de temperatura celular o corporal.

• Calor de vaporización: también es alto, el doble del NH3, 60 veces del éter. La evaporación del agua consume mucho calor, por lo tanto produce enfriamiento, esto explica el fenómeno de transpiración.

• Densidad: el punto crítico del Agua, es decir, la máxima densidad, es a 4º C. • Disolvente: se le denomina el solvente polar universal. Pero debemos recordar que sólo lo polar disuelve lo polar. • Ionizante: facilita las reacciones químicas en el protoplasma. También se ioniza dentro de la misma solución.

• Hidrolítica: El agua es indispensable para el desdoblamiento de los compuestos orgánicos, ya que cumple una función hidrolítica

(rompe moléculas) sobre los alimentos.

Además de estas características, es

importante tomar en cuenta que:

• El agua es excepcional al congelarse: en estado sólido es menos densa que en estado líquido, gracias a lo cual el hielo flota. Investiga si

existe algún otro compuesto que en su estado sólido flote en su mismo medio líquido.

• Al descongelarse, el agua absorbe calor y enfría así su medio, contribuyendo a la constancia térmica favorable para los organismos, del

mismo modo actúa como aislante térmico generando una barrera entre el ambiente y el líquido. Esto se observa en un lago que posee

una capa de hielo en la superficie, donde puede existir temperaturas inferiores a 10º bajo cero, pero dentro del lago es posible hallar

una gran masa de agua a temperaturas de 1 a 5º Celsius. Haz la siguiente prueba, extrae del refrigerador algún alimento congelado, de

preferencia carne y colócalo bajo el chorro de agua y siente la temperatura del agua antes de que caiga sobre la carne y luego que pase

sobre la carne, notaras que el agua se calienta al derretir el hielo de la carne.

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1.2. SALES MINERALES: En la materia viva también encontramos sales minerales tales como cloruros (Cl-), fosfatos (PO4

-3), carbonatos

(CO3-2), bicarbonatos (HCO3

-) y sulfatos de sodio, potasio, calcio y magnesio principalmente y pese a encontrarse en concentraciones muy

bajas, desempeñan funciones de suma importancia en los seres vivos, en algunos casos hasta vitales. Como la base de la materia viva es el agua, las moléculas de la mayoría de las sales minerales, formadas por enlaces iónicos, se disuelven en ella, separándose en sus respectivos componentes, pero que no corresponden a átomos libres. Por esta razón nos resulta más práctico estudiar los iones, los que se definen como partículas cargadas eléctricamente. Así encontramos a los camiones, cargados positivamente y los uniones, cargados negativamente.

1.2.1. CATIÓNES:

a) Calcio (Ca++): Se le encuentra preferentemente en la leche. Al nivel de huesos y dientes, se deposita como cristales, otorgándoles la

dureza a los mismos. Entre la sangre, los huesos y dientes existe un constante intercambio de este catión, regulado por dos hormonas.

Se deposita en los músculos y en ellos participa en la contracción de las fibras musculares. Además, participa en fenómenos de

coagulación sanguínea. Forma parte de la Pared celular vegetal como elemento endurecedor y fortificante. b) Sodio (Na+): Proviene de la descomposición de la molécula de sal común (cloruro de sodio o NaCl) por parte de la acción hidrolítica del

agua. Es el ión más importante a nivel extracelular, tanto por su cantidad como por su participación en procesos fisiológicos vitales. Al

nivel de las membranas celulares participa en la transmisión del impulso nervioso y como función intercelular, regula la presión

osmótica. También realiza una función de cofactor enzimático, es decir, por presencia estimula a la enzima a ejercer su función. c) Potasio (K+): Junto con el sodio participa en la transmisión del impulso nervioso al nivel de las membranas celulares, además, que

regulan el pH. Por otra parte, junto al calcio, participa en la contracción muscular. También se le conoce un papel de cofactor

enzimático.

d) Magnesio (Mg+): Al nivel de las células vegetales participa en la elaboración de la molécula de clorofila, conociéndose un papel de

cofactor enzimático.

e) Hierro (Fe++): Se le encuentra preferentemente en las carnes rojas, interviene en la formación de la molécula de hemoglobina de la

sangre, siendo el hierro el componente central y funcional. También se le haya en la mioglobina, pigmento que le proporciona el color

rojo a los músculos. También realiza una función como cofactor enzimático.

f) Silicio (Si+): Se le encuentra a nivel de los protozoos proporciona la rigidez de los caparazones, en las microalgas como las diatomeas

constituye lo que se conoce como frústulo o cubierta de sílice y a nivel de los vegetales, proporciona firmeza a las paredes celulares.

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1.2.2. ANIÓNES:

a) Fósforo (P-): Se le encuentra en forma de ión fosfato (PO4-3) y forma parte de los ácidos nucleicos (ADN; ARN) y del ATP. Al nivel de los

huesos y dientes junto con el calcio, ayuda a su endurecimiento. Regula el pH de la sangre.

b) Cloro (Cl-): A nivel de las glándulas fúndicas del estómago, ayuda a elaborar el ácido clorhídrico (HCl), por otro lado al nivel celular,

regula la presión osmótica.

c) Azufre (S-): Se encuentra al nivel de proteínas asociado a los aminoácidos Metionina y Cisteina.

d) Carbono (C-): Se le encuentra como ión carbonato CO3-2 a nivel de los huesos; como bicarbonato CO3H

- a nivel de la sangre, donde regula el pH ya que actúa como una sustancia Buffer o tampón. Como CO2 o dióxido de carbono se libera hacia la atmósfera en la

respiración (gas de desecho tóxico para el cuerpo humano) o bien se utiliza en las plantas verdes en el proceso de fotosíntesis.

e) Flúor (F-): Se le encuentra como ión fluoruro en dientes y huesos. Es importante en la constitución del esmalte dental, de allí su

importancia para evitar las caries.

f) Yodo (I-): Se le encuentra al nivel de los mariscos y todos los productos marinos. Participa en el organismo en pequeñas cantidades,

ayudando a formar las hormonas tiroxina y triyodotirosina, elaboradas en la glándula tiroides, participando como activador del

metabolismo energético.

Las sales minerales, en general, cumplen diversas funciones como las ya indicada en forma particular. La pérdida constante de las sales minerales del organismo por parte de la orina, sudor y las heces fecales, debe equilibrarse con la ingesta de cantidades proporcionadas por

medio de los alimentos, su desbalance puede ocasionar fuertes alteraciones a la salud del individuo, ya sea por falta de alguno de ellos

como por exceso, de allí la importancia de conocer bien la composición de los alimentos.

Como la sangre y otros líquidos corporales son soluciones salinas aproximadamente al 0,9 % de cloruro de sodio (NaCl), el equilibrio

osmótico (revisar este concepto) depende de esta sal. Su consumo excesivo provoca hipertensión arterial por el aumento de los impulsos

eléctricos al nivel de las membranas, como también, un edema por acumulación de líquidos en los tejidos (hinchazón), que más tarde

desestabiliza la función renal, por otro lado, su escasez provoca alteraciones en la función neuronal y muscular. Luego se debe buscar un

equilibrio en su cantidad, como la de otros elementos, y el propio cuerpo se encarga de esto mediante sensores que detectan hasta la más

mínima variación de una sustancia química para posteriormente compensarla. Esto se conoce como HOMEOSTASIS, es decir, “Mantención

del equilibrio constante del medio interno”, que será tratado en capítulos posteriores desde distintos prismas.

2. COMPUESTOS ORGÁNICOS: Se caracterizan por ser elaborados por los seres vivos o derivar de ellos, para lo cual, emplean los diversos

elementos químicos ya estudiados, esto significa que toman del medio ambiente algunos de los compuestos anteriores y los

transforman en nuevos pero con propiedades útiles sólo para los seres vivos. También se les conoce como compuestos derivados del

Carbono, por la importancia que tiene dicho átomo para la construcción de los esqueletos carbonados. Para comenzar se debe hablar de

la química de las moléculas del carbono.

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Características generales de las Moléculas Orgánicas

INORGÁNICAS ORGÁNICAS

• No contienen carbono en su estructura

• Poseen carbono

• Enlace más común es el iónico • Enlace más común Covalente

• Poseen un reducido número de átomos

• Moléculas grandes

• Asociados a materia Inerte • Asociados a materia viva

Características de las moléculas orgánicas:

1. Cada átomo de carbono tiene 4 enlaces covalentes

2. Cada par de electrones compartidos es representado por una línea simple; -C-C-

3. Algunos átomos de carbono pueden formar dobles enlaces con otro átomo; C=O, C=C

MOLÉCULAS DERIVADAS DEL CARBONO: INTRODUCCIÓN El carbono es un átomo particularmente especial ya que posee un ordenamiento estructural que le permite unirse covalentemente consigo

mismo y hasta con 4 átomos diferentes a la vez, de allí es que es posible formar esqueletos de carbono. Sin embargo, no todas las

moléculas que poseen carbono son orgánicas, por ejemplo, el C2, CO y CO2 no son orgánicos, sin embargo el CH4 (metano) siendo muy

simple es la primera molécula orgánica. Las moléculas orgánicas más simples se denominan Hidrocarburos por estar formados sólo de carbono e hidrógeno, y se subdividen en

alifáticos (los de cadena lineal o cíclica, pero con enlaces simples) y aromáticos (los compuestos cíclicos con dobles enlaces). Algunos de los

compuestos más conocidos dentro de este grupo son los combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural, a partir de los cuales se

pueden formar otros compuestos. De hecho se establece que la formación de estos combustibles se produjo hace millones de años con la

descomposición de la materia orgánica, es decir, provienen directamente de los seres vivos, sin embargo, no constituyen un volumen

importante de la composición de los seres vivos, es más son altamente tóxicos pudiendo provocarnos la muerte. Analiza los derrames de

petróleo en el mar o las emanaciones de gas en una vivienda, el daño que producen.

Es importante rescatar el hecho que a estos hidrocarburos son la base para la construcción de moléculas más complejas como es el caso de

proteínas, vitaminas, grasas, etc., pero si cambiamos el ángulo de la mirada podríamos decir que corresponden al último eslabón luego de

su descomposición. Te das cuenta que no existe una sola explicación para las cosas.

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PARTICULARIDADES DE LAS MOLÉCULAS DEL CARBONO

Panel 1 Características de las moléculas de Carbono. Distintas formas de representar esquemáticamente el esqueleto de carbono, sus

enlaces y propiedades físico - químicas. (De Alberts, Biología molecular de la célula, 1992)

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GRUPOS FUNCIÓNALES

Para complementar a estas moléculas están los grupos funciónales, que son otros grupos de compuestos que aportan nuevas

características y funciones a la molécula que forman, siendo más importantes adicionados a la molécula base que por sí solos. Algunos de

los que vale la pena recordar son los siguientes:

Hidroxilo o alcohol –OH, muy polar y ampliamente conocido por sus efectos en el sistema nervioso como ingrediente de la cerveza u

otra bebida, aunque no siempre se bebe, por ejemplo el Glicerol que tiene aspecto jabonoso, se usa como anticongelante.

Carboxilo o ácido carboxílico –COOH, presente en los ácidos orgánicos, por ejemplo el ácido ascórbico o vitamina C o el vinagre.

Amino o amina –NH2, propio de las proteínas y sus derivados como la carne o la clara de huevo. Cetona –CO, muy volátil y de aroma característico, el ejemplo clásico es la Propanona o Acetona, lo usan mucho las mujeres como

quita esmalte de uñas.

Aldehído o carbonilo –CHO, se usa mucho como fijador orgánico, ejemplo la formalina o formaldehído

Ésteres –COO- se forman a partir de la interacción entre alcohol y ácido orgánico (revise más adelante los lípidos)

Éteres –O- se forman cuando dos grupos alcohol interactúan entre sí, es muy común como enlace orgánico, remítase al enlace glucosídico o peptídico.

Nitrilos –CN, se asocia fuertemente a sustancias tóxicas, se le conoce también como cianuro.

En el recuadro se muestra la importancia de los grupos funciónales en la

modificación de las moléculas orgánicas. En el caso del Etano un hidrocarburo de 2

carbonos, que en estado natural es un gas incoloro e insípido y muy inflamable,

cuando se le agrega un grupo hidroxilo se transforma en etanol, uno de los

alcoholes más conocidos por su uso farmacéutico y en la enología (licores). Por otro

lado, una sustancia tan peligrosa como el benceno se transforma en algo menos

tóxico y más útil como el fenol con solo agregar un grupo funcional. El caso de los

aminoácidos, que se observa por la adición del carboxilo y el grupo amino

simultáneamente es un tema interesante a tratar más adelante por su importancia

fisiológica.

Las sustancias orgánicas de interés biológico principal derivadas de las anteriores

moléculas orgánicas son las que forman la célula como elementos estructurales,

fisiológicos y energéticos. Estas moléculas se clasifican en Hidratos de Carbono o

glúcidos, proteínas o Polipéptidos o Péptidos, lípidos y ácidos nucleicos o

polinucleótidos.

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2.1. HIDRATOS DE CARBONO:

También reciben el nombre de carbohidratos o glúcidos, por ser la glucosa el compuesto más conocido. Han sido mal llamado azúcares

durante muchos años, pero es la misma paradoja de la Sal. Esto significa que no solo lo dulce es azúcar ni solo lo salado es sal, ya que

existen muchas sustancias que no poseen sabor perceptible por nosotros y por lo mismo no podemos asignar un adjetivo a una

clasificación científica. La palabra azúcar se deriva del nombre químico del producto de la remolacha o de la caña, conocida como

SACAROSA que es un edulcorante natural y que los españoles por su pronunciación le asignaron la expresión azúcar. Están compuestos por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno ((CH2O)n), estos últimos en la misma proporción en que se encuentran los

átomos de la molécula de agua, por ello se les denomina hidratos de carbono. Otra denominación más técnica dice que corresponden a polialcoholes de esqueletos carbonados con y función aldehído o cetona.

Los glúcidos constituyen una reserva importante de energía de los seres vivos, para lo cual, grandes

moléculas son hidrolizadas digestivamente (proceso de tipo catabólico) hasta formar monómeros o

unidades de construcción, que por el hecho de estar formados por una sola molécula, reciben el

nombre de monosacáridos. Los glúcidos se clasifican a su vez en mono, di y polisacáridos.

2.1.A. MONOSACÁRIDOS: Son glúcidos constituidos por una sola molécula y por tal razón,

corresponden a los más pequeños que se conocen. Por sus propiedades se caracterizan por ser de

naturaleza cristalina, soluble en agua (hidrosoluble) y de sabor dulce. Los monosacáridos se clasifican

a su vez por el número de carbonos que poseen, siendo el más simple aquel que tiene 3 carbonos y se

denomina Triosa, ejemplo Gliceraldehído; con 4 carbonos Tetrosa, ejemplo Eritrosa; Pentosa (5 C),

ejemplo Ribosa, Desoxirribosa, Ribulosa; Hexosas (6 C) son las más importantes de los

monosacáridos, ejemplos Glucosa, galactosa, fructosa, sorbosa; Heptosas (7 C), ejemplo

sedoheptulosa. Los monosacáridos de 5 y 6 C se

encuentran generalmente en forma de anillos

cerrado (figura 1).

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2.1.B. DISACÁRIDOS: Corresponde a todos los glúcidos que están formados por dos moléculas o monómeros. Son solubles en agua, de sabor dulce y son cristalizables. La

unión de 2 monómeros se denomina polimerización y se consigue mediante un enlace

Glucosídico con la pérdida de una molécula de agua. Ejemplos:

a) SACAROSA: Corresponde al “azúcar de caña”, de la fruta o de mesa. Está formada

por un monosacárido (monómero) de glucosa y otro de fructosa (ver figura adjunta). b) MALTOSA: Corresponde al glúcido de la malta y está constituida por dos unidades de

glucosa.

c) LACTOSA: Corresponde al “azúcar” de la leche y está constituida por una molécula

de glucosa y otra de galactosa.

2.1.C. POLISACÁRIDOS: Son glúcidos que están conformados por un conjunto de

monómeros unidos por enlaces glucosídicos. Son insolubles en agua, sin sabor dulce y

no forman cristales. Ejemplos de polisacáridos derivados de la glucosa: ALMIDÓN: Se le encuentra en los alimentos tales como pan, arroz, papa, maíz, etc. Está constituido por dos cadenas largas de glucosa.

Una cadena recta llamada amilosa y otra corta, ramificada llamada amilopectina. Su hidrólisis da como resultado productos intermedios llamados dextrosas y maltosas y su hidrólisis final, glucosa. Constituye el azúcar de reserva vegetal.

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b) CELULOSA: Sólo se encuentra en vegetales. Es un polímero lineal, formado por una sola cadena larga de glucosa. Constituye la

composición química de las paredes celulares de las células vegetales. Los animales y el hombre no pueden hidrolizarla, sin embargo,

los rumiantes y las termitas la hidrolizan debido a la presencia de bacterias en sus aparatos digestivos.

c) GLUCÓGENO: Es un polímero altamente ramificado, constituido por alrededor de 30000 moléculas de glucosa. Es el azúcar de reserva

animal por excelencia, se almacena a nivel del hígado y los músculos.

d) DEXTRANOS: Son polímeros ramificados y tienen función de reserva energética en bacterias y levaduras.

Otros ejemplos de polisacáridos son:

e) INULINA y LEVANO: Polímeros lineales de fructosa. Son sustancias de reserva en algunos vegetales.

f) QUITINA: Es un polímero de acetilglucosamina (monosacárido complejo que posee un grupo -NH2), se encuentra en el exoesqueleto de artrópodos

g) PECTINAS Y HEMICELULOSAS: Polímeros de ácido galacturónico y xilosa respectivamente, y son elementos cementantes en la pared celular vegetal

h) ÁCIDO HIALURÓNICO: Formado por ácido glucorónico y acetilglucosamina. Presente en la sustancia fundamental del tejido conectivo y

en el óvulo humano

i) ÁCIDO CONDROITINSULFATO: Formado por ácido glucorónico y acetilglucosamina esterificada con ácido sulfúrico, es un componente

fundamental de cartílagos y huesos.

j) HEPARINA: De constitución similar a la anterior. Función anticoagulante.

k) MUREINA o PEPTIDOGLICANO: Es un polisacárido complejo que presenta polipéptidos asociados a

su estructura. Forma parte de la pared celular Bacteriana.

2.2. PROTEÍNAS:

Son considerados como alimentos plásticos, puesto que le dan la forma al individuo, debido a la acción estructural que realizan. Son macromoléculas formadas por CHON y en algunos casos S. La

unidad básica de la proteína es el aminoácido (representado por Aa), cuya estructura presenta un átomo de C central al cual se le unen a cada lado un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxílico (-

COOH), de características ácidas, de allí el nombre aminoácido, por ser una molécula bipolar o anfótera y por tal razón participa regulando el pH del organismo (al igual que el agua). Sin embargo,

existe una porción variable denominada Radical o Resto (figura 2.a) y que puede hacer variar este estado anfótero de la molécula.

Existen 20 aminoácidos conocidos, de los cuales constituyen las proteínas (ver recuadro inferior),

sólo la mitad es producida por el organismo humano, en tanto que el resto debe ser ingerido en la

dieta, encontrándose éstos en alimentos como los vegetales (que los sintetizan por vías accesorias a

la fotosíntesis) y la leche. Por ello, a estos Aa se les denomina Esenciales.

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LISTADO DE AMINOÁCIDOS EXISTENTES (* = Aa esencial)

Lisina * Arginina * Treonina * Cisteina Glicina

Triptófano * Fenilalanina * Alanina Tirosina Ácido aspártico

Ácido glutámico Serina Valina * Leucina * Isoleucina *

Asparragina Glutamina Histidina * Prolina Metionina *

Una proteína está formada por una cadena larga de Aa unidos mediante enlaces peptídicos, que implica la pérdida de una molécula de

agua. Una molécula puede estar formada por un conjunto de aminoácidos iguales que se repiten indefinidamente, o bien, puede estar

formada por un conjunto de Aa diferentes colocados secuencialmente. Un Aa se une a otro mediante un enlace peptídico, el cual se realiza con la participación del extremo amino de un Aa + el extremo

carboxilo del otro Aa liberando una molécula de agua. La molécula resultante siempre tendrá los extremos amino y carboxilo

respectivamente (Fig. 2.b)

Todas las moléculas de proteínas tienden a buscar su máxima estabilidad y ésta se alcanza cuando todos sus enlaces están saturados. Una

molécula que dispone de enlaces libres o sin saturar es considerada una molécula inestable.

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS:

• Estructura Primaria: Está constituida por una cadena lineal determinada por una secuencia de Aa.

• Estructura Secundaria: Está determinada por un plegamiento simple de la secuencia

de Aa, en forma de espiral (α hélice), zigzag (β plegada) o al azar (Random coil). En cada vuelta o giro de la estructura, los Aa se unen por medio de enlace débiles

denominados puentes de Hidrógeno. Esta estructura es de gran flexibilidad y poca plasticidad, Ej. : la seda, el tendón y el pelo.

• Estructura Terciaria: Está determinada por un plegamiento de las cadenas espiraladas, adoptando una forma de ovillo, tales como las proteínas globulares, o bien forma de

fibras, como las proteínas fibrilares. Las interacciones existentes entre las cadenas son

puentes de hidrógeno y puentes disúlfuro.

• Estructura Cuaternaria: Está formada por dos o más cadenas espiraladas y plegadas, es decir, por dos o más proteínas para realizar un trabajo en común. En estos casos cada unidad proteica se denomina Protómero. Por ejemplo la Globina, que forma la Hemoglobina, está constituida por 4 protómeros, por

lo cual se le conoce como tetrámero.

• Existe una última forma de organización proteica y consiste en la Conjugada. Este tipo de proteínas relaciona generalmente a una estructura terciaria o cuaternaria con una entidad no proteínica, conocida como Grupo Prostético, formando una estructura igualmente funcional. Los grupos prostéticos pueden

ser Azúcares (glicoproteínas), lípidos (lipoproteínas) o grupos tan especializados como el Heme que

constituye, unida a la proteína Globina, la molécula de Hemoglobina. Las funciones de las proteínas en el organismo humano son diversas, pero se pueden resumir en el

siguiente listado:

21

• Estructural: como componentes de membranas celulares, cápsides de virus, como estructura de sostén.

• Enzimática: con capacidad de catalizar diversas reacciones químicas.

• Hormonales: insulina, glucagón, etc. • Coagulación sanguínea: Fibrinógeno, trombina

• Defensa inmunitaria: Gamma-globulinas (anticuerpos)

• De reserva energética: por ejemplo la ovoalbúmina, glutelina, etc.

• Contracción muscular: Actina, miosina • Transferencia de electrones: citocromos • Transporte de O2/CO2: Hemoglobina

2.3 LÍPIDOS:

Son una clase heterogénea de sustancias que se agrupan bajo esta clasificación por la característica común de tener una completa

insolubilidad en solventes polares (hidrofóbicas), como el agua y una solubilidad alta en solventes apolares, como el benceno,

cloroformo, etc. Son sustancias orgánicas disímiles entre sí, pero formados por CHO y ocasionalmente P y N. Cabe destacar que

comúnmente suelen confundirse con los hidrocarburos por sus propiedades apolares, sin embargo, son productos elaborados por los

seres vivos y no restos de la descomposición de ellos. De pesos moleculares relativamente bajos, tienden a formar estructuras

poliméricas simples. Se clasifican como: Lípidos simples, complejos y asociados.

LÍPIDOS SIMPLES: A su vez se clasifican en

• Ácidos grasos: Son ácidos carboxílicos (R-COOH), lineales, frecuentemente con un número par de carbonos que oscila de 4 a 22. Se encuentran saturados (carbono con todos sus enlaces copados), que son más rígidos; o insaturados (1 o más carbonos con enlaces libres), de estructura más lábil. Estos últimos, por sus propiedades bioquímicas, son considerados esenciales en el organismo, ya que el hombre no es capaz de sintetizar ácidos grasos con 2 o más insaturaciones.

Las sales de Na+ y K+ de ácidos grasos de cadena larga se llaman jabones, y forman micelas estables en agua.

Tabla comparativa entre Ácidos grasos saturados e insaturados

SATURADOS INSATURADOS

Nº Carbonos Nombre Nº Carbonos Doble enlace Nombre

4 Butírico 18 C9=C10 Oleico

12 Laurico 18 C9=C10; C12=C13 Linoleico

16 Palmítico 18 C9=C10; C12=C13 ;C15=C16 Linolénico

18 Esteárico 20 C5=C6; C8=C9; C11=C12; C14=C15 Araquidónico

17

•

Acilglicéridos o Grasas Neutras: Son ésteres formados entre un glicerol y uno o hasta 3 ácidos grasos (Fig.3.b). De acuerdo al número de ácidos grasos que estén unidos al glicerol se habla de Mono, di y triglicéridos. Si los ácidos grasos que intervienen son insaturados o presentan bajo

número de carbonos, los triglicéridos resultan líquidos a temperatura ambiente y se denominan

Aceites, en tanto que si son saturados o de alto número de carbonos, son sólidos a temperatura

ambiente y se llaman grasas.

Las funciones de los triglicéridos son constituir reservas alimenticias animales (grasas) y

vegetales (aceites), ser aislantes térmicos, productores de calor metabólico.

• Ceras: Son ésteres de ácidos grasos de alto número de carbonos, con un alcohol que también presenta un alto número de carbonos. Realizan funciones de protección, lubricación o impermeabilización de pelos (ceramides), piel (sebo), plumas (lanolina), frutas (cutina). Las

abejas elaboran cera para la construcción de sus panales.

2.3.2. LÍPIDOS COMPLEJOS: Los representantes más importantes de este grupo son:

• Fosfolípidos: Esteres de glicerol con dos ácidos grasos más ácido fosfórico. Son moléculas muy particulares ya que poseen una zona polar (grupo fosfato) y colas apolares (ácidos

grasos), por lo mismo la molécula es denominada Anfipática por su doble comportamiento

polar (ver figura adjunta). Cuando se mezclan con agua se agrupan formando pequeñas

estructuras circulares denominadas micelas. Realizan importante función estructural en la

membrana celular.

• Glicolípidos y lipoproteínas: Son similares a los anteriores, pero en vez del ácido fosfórico se agrega un azúcar o una proteína.

2.3.3. LÍPIDOS ASOCIADOS: Son un grupo de lípidos con características

estructurales totalmente distintas a los anteriores, pueden derivar de ácidos grasos o de

alcoholes.

• Prostaglandinas: Derivan de ácidos grasos poli insaturados (con múltiples dobles enlaces). Su función biológica se relaciona con: Modular la actividad hormonal, regular la presión sanguínea, estimular la contracción del músculo liso.

• Esteroides: Derivan del ciclopentano-perhidrofenantreno (ver figura respectiva). De esta sustancia se forman los esteroles como el colesterol, las sales biliares, como el ácido cólico, hormonas, como la testosterona y estrógenos, y la vitamina D. Casi todos estos derivados son de estructura semejante. Un dato anecdótico es

que existe un mito muy grande respecto al colesterol dada su importancia biológica. Lo cierto es que nuestro

cuerpo produce colesterol a partir de las grasas y aceites que comemos, por ello que no necesitamos ingerirlo

puro, por ello es que se recomienda evitar su consumo. Sin embargo una deficiencia de colesterol sería

funesta para el organismo al punto que no existiría ninguna de las hormonas que el organismo necesita para

su desarrollo corporal y sexual. Noten el parecido químico entre el colesterol y la testosterona.

18

• Terpenos: Derivan del Isopreno, existiendo 3 grupos: ∗ Derivados lineales: forman parte de la molécula de clorofila (cadena fitol) ∗ Derivados cíclicos: como ciertas fitohormonas (ácido absícico y ácido giberélico), aromatizantes vegetales como el mentol, alcanfor,

limoneno, etc. ∗ Derivados mixtos: pigmentos vegetales como Caroteno, Xantofila, vitaminas A, E y K.

2.4. ÁCIDOS NUCLEICOS: Se encuentran tanto en el núcleo, como en el citoplasma. Son de dos

tipos, el ADN (Ácido desoxirribonucleico), exclusivamente se halla en el núcleo de células

eucariotas, en tanto que el ARN (Ácido Ribonucleico), se encuentra tanto en el núcleo como en el

citoplasma. Están formados por una enorme cantidad de polímeros, cada uno de los cuales a su vez se encuentra formado por monómeros, por ello constituyen una de las macromoléculas más

complejas de la célula. Sin embargo, los monómeros se repiten en secuencia y están constituidos

básicamente por un azúcar de 5 carbonos que puede ser Ribosa (en el caso del ARN) y

Desoxirribosa (para el ADN); una Base Nitrogenada, de las cuales tenemos dos tipos, la púricas,

que corresponden a Guanina - Adenina y las bases pirimídicas, donde están Timina - Citosina y

Uracilo; el último componente es el ácido fosfórico (H3PO4), que le da la característica de ácido a

la macromolécula. Este monómero recibe el nombre genérico de Nucleótido (Fig. 4), el cual

puede poseer hasta 3 ácidos fosfóricos, y se le puede denominar Nucleótido mono, di y

trifosfatado. Por ejemplo, si tenemos el nucleótido compuesto por el azúcar Ribosa, la base

nitrogenada Adenina y un ácido fosfórico, la molécula se llamará Adenosín monofosfato (AMP), si le adicionamos 2 fosfatos se transformará ahora en el famoso Adenosín trifosfato (ATP). Éste

último de vital importancia metabólica para la célula.

Un nucleótido se une a otro mediante un enlace de tipo covalente, conocido como Fosfodiester,

constituyendo ahora un dinucleótido, por ejemplo la molécula NAD es conocida como

Nicotinamida adenín dinucleótido. Si seguimos añadiendo nucleótidos, formaremos finalmente un polinucleótido; sin embargo, los

nucleótidos que se unen siempre deben poseer el mismo tipo de azúcar, no pueden mezclarse.

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Existen dos tipos de Polinucleótidos, los que poseen diferencias estructurales y funciónales

que vale la pena analizar por separado.

• Polidesoxirribonuleótido, o también conocido como Ácido desoxirribonucleico (ADN): Es la base química de la herencia y están organizada en genes, unidades fundamentales de la información genética. La estructura química que se observa del ADN son dos

cadenas antiparalelas de polinucleótidos que poseen en común la presencia de la pentosa

Desoxirribosa, que junto al grupo fosfato es la parte invariable de la molécula. La parte

variable del ADN lo constituyen las Bases nitrogenadas, de las cuales tenemos Adenina,

Citosina, Guanina y Timina (exclusiva del ADN). Las cadenas antiparalelas se unen entre

sí por medio de enlaces débiles (puentes de hidrógeno) entre las Bases nitrogenadas.

Siempre se aparea una base púrica con otra pirimídica, es decir, A=T; C G, por lo tanto

la secuencia de bases es complementaria, ya que no existe otro tipo de combinación. La

doble cadena adopta una forma espacial helicoidal llamada Doble hélice o modelo de

Watson & Crick. La estructura forma cadenas largas denominadas hebras de cromatina,

las cuales se condensan constituyendo los cromosomas. Éstos se forman gracias a la

unión de proteínas básicas (de pH básico) conocidas como Histonas.

Función del ADN: a) Es la fuente de información para la síntesis de todas las moléculas de proteínas de la

célula y el organismo.

b) Provee la información heredada por las células hijas en la progenie.

Ambas funciones requieren que la molécula de ADN sirva de molde, en el primer caso para el proceso de transcripción de información

a ARN y en el segundo, para la replicación de la información en las dos células hijas de ADN.

• Polirribonucleótido, Ácido Ribonucleico (ARN): Están constituidos por una única cadena, que puede permanecer lineal o adoptar estructuras particulares. Químicamente difieren del ADN en que éste último posee Desoxirribosa como pentosa, en tanto ARN posee Ribosa, además, existe una diferencia en las bases nitrogenadas, la Timina es reemplazada por Uracilo.

Existen tres tipos de ARN, todos ellos comprometidos en la síntesis de proteínas, estos son: ∗ ARN ribosómico (ARNr): Forma parte, en conjunto con proteínas, de la estructura de los ribosomas, sitio de síntesis proteica. ∗ ARN mensajero (ARNm): Es el encargado de indicar la secuencia de Aa que integrará la proteína que se está sintetizando. Se dice que

es la copia exacta de una porción del ADN que lleva un mensaje determinado.

∗ ARN transferente (ARNt): Tiene una estructura muy particular, llamada “Hoja de trébol”, con zonas replegadas formando rizos. Su función es el transporte específico de Aa durante la síntesis proteica.

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COMPARACIÓN ENTRE

ADN Y ARN

ADN ARN

Localización

Principalmente en el núcleo (zona nuclear), en mitocondrias y cloroplastos

En el citoplasma, nucléolo y cromosomas

Pentosa Desoxirribosa Ribosa

Base Púrica

Adenina y Guanina Adenina y Guanina

Base Pirimídica

Timina y Citosina

Uracilo y Citosina

Rol en la célula

Información Hereditaria Síntesis de Proteínas

21

CAPITULO II

Biología Celular y Molecular Palabras

Claves

♣ Membrana celular ♣ Pared celular ♣ Citoplasma ♣ Carioteca ♣ Cromatina ♣ Cromosomas ♣ Nucléolo ♣ Organelos ♣ Cloroplastos ♣ Eucarionte

♣ Procarionte ♣ Mitocondria ♣ Ribosomas ♣ Aparato de Golgi ♣ Retículo

endoplasmático ♣ Lisosomas ♣ Vacuolas ♣ Histología ♣ Célula ♣ Centríolo

Los glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos no poseen vida por sí solos. Al combinarse entre sí (y con la materia inorgánica) y

organizarse de manera precisa constituyen una forma básica de organización de la vida, denominada célula.

DEFINICIÓN: Célula “Unidad estructural, morfofuncional, bioquímica y genética, más pequeña de la materia viva”.

Análisis de la definición:

1. Estructural: la célula presenta estructuras: membrana plasmática, citoplasma y núcleo (Eucariontes), las que le dan forma y funcionalidad.

2. Morfofisiológica: la forma de la célula está en íntima relación con la función que ésta tenga. Las hay cúbicas, esféricas, estrelladas,

rectangulares, planas, hexagonales, etc.

3. Bioquímica: posee transformaciones metabólicas, ya sean catabólicas o anabólicas, en cada célula.

4. Genética: contiene un material genético, el cual puede encontrarse libre en el citoplasma (procarionte) o dentro del núcleo (eucarionte),

que es la base de la herencia que se transmite de célula a célula.

22

TEORÍA CELULAR

El estudio de la célula comenzó tímidamente con las observaciones rudimentarias de Robert Hoocke, en el siglo XVII quien con el uso de

un instrumento nuevo para la época, el Microscopio, observó corcho (parte de la corteza de algunos árboles) y otros tejidos vegetales,

notó que estaba constituido por numerosas celdillas como panales de abejas que el pensó estaban “huecas” y por ello las definió como

“cellula” que en latín significa celda o espacio vacío, haciendo alusión a las celdas de los monjes de claustro, que no tenían nada más que

una cama y un piso en su celda o célula. Es decir, que la definición que hoy tenemos de célula no encaja históricamente con lo que creyó

ver Hoocke en aquel entonces. Tras muchos años, los científicos Matías Schleiden (1831) y Theodor Schwann (1839), postularon

independientemente que todos los seres vivos estaban hechos de células. Años más tarde Rudolf Virchow (1855) postuló que toda célula

proviene de otra preexistente.

Con estos antecedentes se puede decir que La teoría celular en esencia expresa:

1. Todos los seres vivos están constituidos de una o más células, constituyendo la unidad estructural o morfológica.

2. La célula es la unidad funcional o fisiológica de todas la plantas y animales. En general las células de todos los sistemas son fundamentalmente parecidas en su composición química y en sus procesos bioquímicos.

3. Las nuevas células provienen de células preexistentes, por un proceso conocido como división celular.

Con el uso del Microscopio fue posible conocer la célula, y con los avances en la técnica se ha llegado aún más lejos, hasta conocer los más

recónditos paisajes intracelulares. Les sugiero que investiguen respecto a los diferentes tipos de microscopios y sus diferentes técnicas.

Aquí los principales exponentes:

• Microscopio de luz simple • Microscopio de contraste de fases y luz polarizada • Microscopio electrónico de transmisión y de barrido

Con la ayuda del microscopio se lograron establecer toda la gama de células existentes. La diversidad de células obedece a varios factores

entre los cuales podemos citar:

• Factores genéticos: por ejemplo el glóbulo rojo está predeterminado a perder su núcleo, poseer poco citoplasma y mitocondrias para tener su forma bicóncava y así transportar O2.

• Interacción con células vecinas, que determinan una forma celular más o menos regular. • La función que desempeña en un órgano o sistema, por ejemplo las células neuronales pueden alcanzar grandes longitudes para

interconectarse entre ellas, en cambio los espermatozoides se reducen al mínimo del tamaño para desplazarse eficientemente hacia el

ovocito y fecundar.

Otro aporte del microscopio fue develar que existen 2 tipos celulares importantes: Procarionte y Eucarionte. La diferencia fundamental

entre ambas es que en la célula Eucarionte hay un sistema de endomembranas que limita a otras estructuras celulares, en tanto que las

Procariontes son células más simples estructuralmente y de menor tamaño.

23

¿Qué significa Procarionte y Eucarionte?

Ambas palabras derivan del latín y su significado tiene que ver con su

estructura física obtenida de la observación a microscopios

rudimentarios. Procarion = Pro que significa Primero, primitivo o anterior y carion

que significa núcleo. La acepción que mejor se ajusta es “Anterior al

núcleo”

Eucarion = Eu que quiere decir, verdadero o bueno y carion, núcleo.

Su significado literal sería “Con núcleo verdadero”.

TEORÍA EVOLUTIVA DE LA CÉLULA

La Figura muestra los posibles orígenes evolutivos de los eucariotas, a

partir de un procariota ancestral, según la Teoría simbiótica, que es

necesario explicar brevemente para poder continuar en el tema. Esta

teoría formulada inicialmente por la Doctora Lynn Margulis (busca en

Internet al respecto), señaló el desarrollo de los eucariotas a partir de la

incorporación de pequeñas células procariotas con capacidad de

sintetizar energía con dos modalidades, usando la luz solar, es decir,

mediante la fotosíntesis, y mediante la oxidación de moléculas

orgánicas, así los cloroplastos y las mitocondrias respectivamente se

incorporaron a una célula más grande y generaron un ser vivo más

eficiente. Sin embargo, se debe destacar que las mitocondrias y

cloroplastos, que surgieron como bacterias en apariencia, para dar

origen a eucariotas “vegetales y animales” han mostrado grandes

cambios evolutivos respecto a sus parientes (bacterias aeróbicas y

fotosintéticas). En una primera instancia se pensó en una forma de

parasitismo, pero el ingreso de estas “bacterias” no causa daño alguno,

por el contrario su importancia es vital. No se puede desconocer la

teoría, pero aun faltan pruebas para apoyarla plenamente, pese a ello la

importancia de estos 2 organelos nos muestra lo precario de un sistema biológico que depende fuertemente de los generadores de energía. Consignaré a modo de comentario personal, lo particular de las

mitocondrias en su accionar y su importancia en el plano científico pese a su pequeño tamaño. Hasta hoy los psicólogos y neurólogos

afirman que la depresión es un fenómeno que no cuenta con una explicación científica lo suficientemente clara y consecuente, dejando todo

en un “problema bioquímico”. Yo pregunto, qué sucede cuando las mitocondrias no producen la suficiente cantidad de energía que la célula

precisa para su buen funcionamiento. Se supone que la célula es capaz de compensar esto con algún tipo de mecanismo especial, pero y si

no lo hace ¿qué sucede?, la respuesta puede ser Depresión, los síntomas son claros, baja en el ánimo (ligado íntimamente con la energía),

24

Característica Procariontes Eucariontes

Tamaño

Envoltura nuclear

(carioteca)

DNA

Nucléolo(s)

Pared celular

Sistema respiratorio

Aeróbico

Aparato fotosintético

División celular

Organización celular

Representantes

1-10 µ Ausente

Molécula simple no asociada a histonas.

Presencia de Plásmidos (ADN extracromosómico)

Ausentes

Composición química compleja

Forma parte de la membrana plasmática o del

mesosoma

En membrana plasmática o lamelas

Sin formación de huso mitótico (amitosis)

Unicelular

Bacterias

10-100 µ Presente

Asociado con proteínas básicas (Histonas).

Organizado en fibras de cromatina.

Presentes

Cuando la hay, compuesta de materiales simples

como la celulosa

Mitocondrial

Cloroplastos

Con formación de huso mitótico

(mitosis y meiosis) Unicelular y

multicelular (con diferenciación) Algas, hongos, vegetales y animales

poca concentración, sensación de ansiedad, desesperación, etc. Muchos atacan a las neuronas o algunas células endocrinas por “producir”

sustancias químicas depresoras, pero debo resaltar el hecho que todas las células de nuestro cuerpo necesitan imperiosamente de energía

para realizar sus funciones vitales y si ésta es escasa o no se produce eficazmente, se necesitará “ajustar la máquina” a esta condición. La

depresión, a mi modo de ver, es una respuesta adaptativa a la escasez de energía, pero eso es tema de una discusión posterior ya que no

pretendo tener la razón, solo deseo dejar una luz de inquietud en el lector para que se detenga a pensar en la importancia de estas

pequeñas cosas...

COMPARACIÓN DE LAS CÉLULAS PROCARIÓNTES Y EUCARIÓNTES

Nota: 1 µ = 10-6 metros

25

ESTRUCTURA DE LA CÉLULA EUCARIÓNTE

Para efectos prácticos de la asignatura se trabajará exclusivamente en torno a la célula eucarionte, no por ser más importante que la

procarionte, sino más bien por que se le conoce mejor y es al microscopio más evidente que la otra. La célula eucarionte, se organiza de 3 partes fundamentales: Membrana (límite exterior), citoplasma (líquido celular) y zona nuclear o

núcleo (centro informacional genético) .

MEMBRANAS:

I. Clasificación

a) Membranas Mecánicas: algunos prefieren no considerarlas membranas, sino una envoltura de protección ya que sirven de apoyo a la membrana “verdadera”. No está presente en todas las células. Se caracterizan por:

• ser producidas por la propia célula • dar protección • existir sólo en algunas células • estar en el exterior de la membrana funcional

Ejemplos: ♠ Cáscara: cubierta externa de ciertos huevos ♠ Costra: película impermeable, se encuentra en células de la vejiga y de la uretra (evita la absorción de orina). ♠ Pared celular: membrana rígida de celulosa, recubre a las células vegetales y algunas bacterias.

b) Membranas Funciónales: Fina película lipoproteíca (bicapa), presente en todas las células animales, vegetales, protistas (protozoos) y bacterias.

Esta membrana es la estructura bioquímica que envuelve a la célula, constituyendo su

límite exterior, con cierto grado de permeabilidad. Si la célula fuera una casa, la

membrana serían las paredes, el techo y el piso de la casa, pero no es hermética ya

que debe dejar entrar o salir objetos, sustancias útiles o desechos de la célula, el

paso de dichas sustancias debe ser regulado para evitar un desequilibrio en el

interior. Puede regenerarse cuando se destruye. Es porosa (posee cavidades por las

cuales entran o salen sustancias), es selectiva (selecciona de acuerdo a diferentes

parámetros las sustancias que entran y salen), por lo mismo es semipermeable (lo que significa que no deja pasar cualquier cosa) y

también es elástica (es como un globo inflado que se puede deformar, pero tiene limitaciones a sus deformaciones, aún así vuelve a su

forma original).

La membrana tiene un espesor de 75 Aº (Angstrom; 1 Aº = 10-10 m). La constituyen las proteínas globulares (60-75%), fosfolípidos (20-

40%) y carbohidratos (no más del 10%).

26

Se proponen dos modelos de distribución de los componentes químicos de la membrana:

• Modelo de Danielli-Davson: En este modelo se supone que los fosfolípidos se ubican en la región central de la membrana, dispuestos en dos capas, con los extremos hidrofóbicos enfrentados y los extremos hidrofílicos hacia afuera, en contacto con una capa de proteínas

superficiales a cada lado. Este modelo presenta muchas contradicciones pues no explica la totalidad de las funciones que se llevan a

cabo en la membrana, sin embargo esto no significa que el modelo sea totalmente equivocado. Debemos recordar que fue propuesto en 1935 y la existencia de tecnología adecuada para probar una hipótesis como la planteada a nivel microscopio era difícil de verificar. El

mayor aporte fue sin duda el argumentar una estructura de una Bicapa lipidica, lo cual sería usado para sustentar otras teorías.

• Modelo de S. Singer y G. L. Nicholson o del Mosaico Fluido: Modelo más reciente (1972) y actualmente el más aceptado. Postula la formación de una bicapa lipídica (semejante a la del modelo anterior) en el cual las proteínas se hallarían

“sumergidas”. Las proteínas que se hallan en la superficie

se denominan extrínsecas o periféricas ya que pareciera

que estuviesen hacia el exterior (que fue el supuesto del

modelo anterior) y las proteínas íntimamente unidas a los

lípidos se denominaron Intrínsecas o integrales. Por su

parte los carbohidratos, representados principalmente por

Oligosacáridos, están distribuidos solamente en la

superficie externa de la membrana y normalmente

asociados a lípidos (glicolípidos) o a proteínas

(glicoproteínas). El nombre de mosaico fluido se debe a la

organización de la membrana como un mosaico y a la

relativa flexibilidad de movimiento que tienen los

fosfolípidos y proteínas en dicha membrana.

27

Este modelo se ha perfecciónado con la aparición de nuevos y

mejores equipos de microscopía existentes en la actualidad, que

han permitido verificar gran parte de sus postulados y corregido

otros. Como menciónan varios textos “antiguamente se pensaba

que los lípidos solamente tenían una función estructural (de

mantener la forma y dar protección); hoy se sabe que participa

en la comunicación intracelular, reconocimiento intercelular y el

transporte de ciertas sustancias de naturaleza lípidica hacia y

desde el interior de la célula, como es el caso de hormonas

esteroidales”. Por otro lado siempre se pensó que las proteínas de

membrana eran meros canales de transporte, cual ventana o

puerta; en la actualidad se establece se reconoce su participación

en la actividad enzimática de la membrana y el reconocimiento

intercelular, entre otras funciónes.

Como se aprecia en la figura no solamente existen Fosfolípidos y

proteínas integrales, también existe la presencia de colesterol que

se ha probado tiene una gran importancia en mantener la fluidez

de la membrana, reduce la movilidad de los Fosfolípidos y con ello

reduce su permeabilidad, sin embargo se exceso puede provocar

rigidez estructural que redunda en fractura de la membrana como

si fuera un cascarón de un huevo. Otro componente importante

corresponden a los oligosacáridos que se hallan hacia el exterior y

que constituyen el denominado Glucocálix.

PERMEABILIDAD Y TRANSPORTE

DE LA MEMBRANA

La membrana plasmática es capaz de discriminar, por medio de

elementos propios de la membrana, las diversas partículas que pueden pasar por ella. Este proceso implica un reconocimiento químico muy

preciso y específico. Así podemos afirmar que es Selectivamente permeable.

Cualquier sustancia que pase a la célula lo puede hacer mediante los siguientes procesos:

• A través de la bicapa lipídica: Las sustancias polares hidrofílicas (afines al agua) como los iones no pueden pasar por este método, pero sí lo hacen pequeñas cantidades de agua (por ser neutra), la urea, gases como el oxígeno y el CO2. La modalidad de transporte usada aquí es la Difusión Simple (ver esquema), su principal limitante es la cantidad y peso molecular de la sustancia a transportar y la polaridad de la misma, recordemos que deben ser sustancias apolares, por ejemplo aceites, gases inertes y solventes orgánicos como

alcohol, benceno, etc. Por otro lado, también pueden ser polares pero con carga neta cero, como el agua y la urea. Se debe tener en

cuenta que los solventes orgánicos como el alcohol pueden causar mucho daño a la membrana, dado que por su condición apolar,

disuelven a los lípidos de membrana, luego puede ser peligroso el exceso de alcohol rodeando a la célula. La difusión simple pertenece a

un tipo de movimiento conocido como Transporte Pasivo.

28

• A través de proteínas de membrana: las sustancias hidrosolubles pasan a través de las proteínas, usando canales, transportadores, bombas o Carriers, pero tienen un par de limitaciones, el tamaño de la partícula y su concentración. Algunas modalidades de transporte a través de proteínas de membrana son:

1. Difusión: Es el proceso que consiste en

el movimiento de partículas sólidas,

gaseosas y ocasionalmente líquidas

desde una zona de alta concentración a

otra de baja concentración, sin gasto de

energía. También es conocida como

Transporte Pasivo y existen dos

modalidades, la difusión simple; que

se mencionó anteriormente, donde se

usa la bicapa como transportador y la

otra modalidad es la difusión

facilitada que usa proteínas

transportadoras llamadas “Carriers” que

literalmente facilitan el paso a la

partícula a transportar y la movilizan al interior de la célula, pero sin gasto de energía. Las grandes limitaciones de la difusión son

el tamaño de sustancia a transportar,

su carga eléctrica,

la temperatura que puede acelerar o retardar el proceso y

su concentración al interior y al exterior que es lo más gravitante.

NOTA: Vale la pena aclarar que la concentración mide la cantidad de sustancia relativa en ambos lados de la membrana (generalmente se

hace alusión a solutos), de tal forma que podemos encontrar una zona hiperconcentrada (con alta concentración) y otra

hipoconcetrada (con baja concentración), lo que genera un Gradiente de concentración, es decir, la concentración va en aumento

o en disminución gradual, hasta llegar a un equilibrio, que se conoce como punto Isoconcetrado. Al decir “a favor de la gradiente”,

nos referimos al paso de la sustancia de mayor a menor concentración, en tanto que “en contra de la gradiente” es de menor a

mayor.

29

2. Osmosis: Corresponde a un tipo muy especial de difusión

de un solvente (para el caso de la célula es un líquido),

así el líquido pasa a través de una membrana

selectivamente permeable, desde una zona de mayor

concentración de solvente (y baja concentración de

solutos) a otra de menor concentración de solvente, sin

gasto de energía. El solvente usualmente es agua y la

membrana selectivamente permeable es la membrana

plasmática.

NOTA: En química la mezcla homogénea entre un solvente

y un soluto se denomina solución y se usa el término

hipertónica cuando existe una alta concentración

de soluto disuelto en el solvente, hipotónica cuando

la concentración es baja, y cuando se llega a un

equilibrio, que se conoce como punto Isotónico,

donde a ambos lados de la membrana la

concentración es muy similar. En los seres vivos se tiende a la búsqueda de la Isotonía celular respecto al medio que la rodea, si no se logra se producen alteraciones que pueden ser

fatales para la célula.

Del mismo proceso de Osmosis derivan algunos tipos de comportamiento membranal particulares, producto de la Presión Osmótica

ejercida por el soluto o el solvente y las características de cada célula, es decir si es una célula animal o vegetal. Plasmólisis: En este proceso la célula está inmersa en un medio Hipertónico (mayor concentración de solutos); como consecuencia la

célula pierde agua (de allí que se hable de ruptura del plasma), tratando de igualar las concentraciones, por lo tanto la célula se arruga.

El concepto se aplica con mayor frecuencia a células que poseen pared celular o cápsulas externas de protección, ya que de lo contrario

se produciría una Crenación o ruptura del plasma celular.

Turgencia o turgescencia: Se realiza en un medio Hipotónico (menor concentración de solutos en el exterior de la célula), por lo que ingresa agua a la célula, produciéndose la hinchazón de la misma.

Citólisis: al igual que la anterior se realiza en un medio Hipotónico, ingresando agua al interior de la célula animal, pero al no tener ésta pared celular revienta por exceso de agua.

3.

30

Transporte Activo: Se realiza gracias a que existen en la membrana sustancias de naturaleza enzimática denominadas PERMEASAS.

Estas son específicas para cada una de las sustancias que atraviesan la membrana. Además, las sustancias que atraviesan la membrana

en ocasiones lo hacen en contra del gradiente de concentración, lo que implica un alto gasto de energía.

Bomba sodio potasio Transporte mediado por vesículas. Otra forma de transporte

activo

El diagrama ilustra el caso de la Bomba Na+-K+, que es el ejemplo más importante de transporte activo que posee la célula animal, la

bomba extrae el Na+ del interior de la célula, donde es menos abundante que al exterior y lo intercambia por K+ hacia el interior que es más abundante, por ello el proceso es con gasto de energía ya que va en contra de la gradiente, cabe hacer notar que la energía al interior de la célula se representa en forma de una molécula nucleotídica, conocida como ATP (Adenosín Tri Phosphato, véase las biomoléculas). Este fenómeno es fundamental para la contracción muscular, el impulso nervioso y la mantención de un balance normal de estos dos iones.

4. Diálisis: Físicamente es el proceso que consiste en la separación de las macromoléculas de otras más pequeñas y de los iones, a través

de una membrana selectivamente permeable. En este proceso, las moléculas de mayor tamaño quedan retenidas. Se requiere de gasto

de energía y se realiza principalmente en los túbulos renales ayudado por la presión de flujo de la sangre.

• Finalmente tenemos el transporte Mediado por vesículas: (ver figura adjunta) se usa principalmente para el transporte de grandes masas de partículas (sólidas, liquidas o mezclas) hacia el interior o exterior de la célula usando vesículas, que corresponden a pequeños

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sacos de membrana que se forman únicamente para este fin, se debe tener en cuenta que el tamaño de las partículas les impide el

paso por el interior de la membrana y como no se puede perforar la membrana se le ingresa con un trozo de la misma. Se conocen los

siguientes mecanismos de transporte: Endocitosis y Exocitosis: A través del retículo Endoplasmático se realiza el transporte hacia el interior o el exterior de la célula: El

transporte hacia el interior se llama Endocitosis y puede identificarse como un mecanismo adicional de adquisición de alimentos. Por el

mecanismo de Endocitosis, la célula no sólo puede obtener líquido (Pinocitosis), sino también moléculas de gran tamaño o cualquier tipo

de partícula (Fagocitosis). El transporte hacia el exterior es la Exocitosis, que puede considerarse como forma de excreción.

32

DIFERENCIACIÓNES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

1. Microvellosidades: Son modificaciónes de la membrana en

forma de “pelos” que sobresalen desde alguna de las caras

de la célula (generalmente desde el ápice celular). Se hallan

en células con gran poder de absorción, como las del

intestino o del riñón. ♠ Intestino: se denominan chapa estriada. ♠ Renales: se denominan ribete en cepillo, y son más

largas que las anteriores.

2. Desmosomas y uniones intercelulares: Engrosamientos de

ciertas membranas que están en contacto con la membrana

de otra célula. Se forman para dar mayor resistencia de

unión entre las células. Poseen tonofibrillas. Se presentan

generalmente en células que deben estar muy unidas y a

corta distancia por ejemplo los Epitelios.

3. Interdigitaciones:

corresponden a introducción de parte de la membrana dentro del citoplasma la que se apoya en la

base de otro tejido, con el objeto de aumentar la adherencia de las células a dicha zona, Ej. Epitelio

respiratorio. Este tipo de adaptación lo vemos en un ejemplo muy concreto de nuestra vida cotidiana

como es el “cierre de belcro”.

4. Cilios y flagelos: Estructuras filamentosas que permiten dan mayor motilidad (movimiento) a la célula

o tejido. Son un conjunto de microtúbulos (como miles de filamentos delgados) que forman un cilindro

grueso que posee movimiento ondulatorio. La diferencia entre un cilio y un flagelo es muy sutil. El cilio

es corto y grueso, además generalmente se halla en grandes cantidades en una sola cara de la célula

(se asemeja a una microvellosidad, con la diferencia que no es absorbente y son mucho más largos,

imaginen una alfombra o una toalla) ejemplo: epitelio de la traquea. Los flagelos son más largos y

delgados, su cantidad en la célula es variable y su función es desplazamiento, ejemplo la cola de los

espermios u otras células.

33

RESUMEN DE FUNCIONES DE LA MEMBRANA

Transporte de moléculas de

un sector a otro con o sin

gasto de energía, con el

uso de proteínas integrales

o transmembranales.

Acción enzimática. Al nivel de membrana se

realizan algunas reacciones

químicas, como cadena de reacciones.

Proteínas como sitio

receptor. Pueden reconocer

hormonas u otros

mensajeros. Puntos de unión para el

citoesqueleto. Los

filamentos se anclan en algún lugar de la membrana

Puntos de adhesión celular. Dos membranas

adyacentes pueden unirse

a través de las proteínas

CITOPLASMA:

Porción de protoplasma que se encuentra entre la membrana plasmática y el núcleo. Lugar donde se realiza la mayor cantidad de

reacciones químicas para la vida celular. Se divide en tres sub-unidades conocidas como Citosol, Citoesqueleto y Organelos.

a) Citosol: Su constitución es principalmente agua (cerca del 92%), proteínas y otras moléculas orgánicas (7%) y sales minerales disueltas (1% aproximadamente), las que le proporcionan mayor consistencia, se le denomina coloide por su estado intermedio

entre líquido y sólido –imagina la clara de huevo cruda, esa es la consistencia que debiera tener el Citosol-, puede pasar desde la

fase de SOL a GEL y viceversa. En el estado gel las partículas se encuentran muy juntas, más espesa y viscosa lo que le proporciona

mayor estabilidad a las sustancias que se hallan en el Citosol, da el aspecto que tuviera menor contenido de agua, lo cual no es así;

es particularmente importante durante la mitosis y meiosis. En el estado sol existe mayor distancia entre las partículas, por lo

mismo la condición es más fluida, abunda el solvente, de allí la denominación. Es común en la célula en el estado de Interfase.

b) Citoesqueleto: en la célula eucarionte es fundamental la organización intracelular, pero eso no significa que sean estructuras

estáticas y sin cambios físicos notorios, muy por el contrario el dinamismo interior de la célula explica gran parte de sus procesos

34

celulares, incluso es necesario en algunos casos que la célula se desplace por sus propios medios. Tos esto es posible gracias a una

red de filamentos dinámicos en el citoplasma celular. Está formada por serie de proteínas filamentosas y fibrilares, pero distintos

entre sí.

Función: ♠ Permite el funcionamiento ordenado y armónico de la célula ♠ Permite mantener la forma y organización interna de la célula

Los componentes del citoesqueleto son:

a. Microtúbulos b. Filamentos intermedios

c. Microfilamentos

d. Red microtrabecular

La detección del citoesqueleto y su descripción fue posible gracias a los avances en microscopía electrónica (nuevas técnicas de

inmunofluorescencia)

a. MICROTÚBULOS: Estructuras tubulares, con un diámetro aproximado de 25 nm (1 Nanómetro = 10-9

metros), de longitud variable.

La sub unidad proteica que lo compone es Tubulina, que es una proteína globular formada de 2 unidades:

Tubulina α y β. En conjunto forman los Protofilamentos (longitudinales o helicoidales). Las tubulinas se unen entre sí en un proceso denominado Polimerización.

Polimerizan Despolimerizan

• Centríolos • Cuerpos basales • ATP

• Concentraciones de Ca2+

• Grupos sulfídrilos • Colchicina

Los microtúbulos participan en la mantención y forma celular. Permiten los movimientos

celulares.

b. MICROFILAMENTOS: Filamentos delgados de 7 nm de diámetro. La sub unidad estructural es la Actina. Se encuentra en dos estados como Actina G (globular) o Actina F (filamentosa), pasando reversiblemente de un estado a otro, en presencia de ATP. Se pueden hallar también,

unidas a otras proteínas como Tropomiosina y Troponina, pero la interacción reversible con

Miosina es la que genera movimiento celular. La participación fundamental de este tipo de

filamentos tiene relación con la estabilidad y movimiento celular. Se halla especialmente

desarrollado en las células musculares.

35

c. FILAMENTOS.INTERMEDIOS: Proteínas fibrilares. Diámetro de 10 nm. La función

característica es la integración mecánica de los distintos componentes citoplasmáticos y la

regulación de la forma celular. Por ejemplo en la acción de rotación y desplazamiento de un

flagelo. Existen distintos tipos como filamentos de: • Queratina, en células epiteliales • Nexina y Dineina en cilios y flagelos • Desmina, en células musculares • Vimentina, en células mesenquimáticas • Neuronas o neurofilamentos • Glía o filamentos de la neuroglía

d. RED MICROTRABECULAR: Formada por finas proteínas fibrilares, de aspecto enmarañado,

como su nombre lo indica es una red con pequeñas trabéculas o túneles, tal como se aprecia

en la figura adjunta. Su función es proporcionar soporte estructural a ribosomas, proteínas

(enzimas) y otros componentes celulares. Su acción debe ser flexible para permitir

constantemente la formación de interconexiones con las otras proteínas fibrilares y permitir

una mayor estabilidad.

FUNCIÓNES DEL CITOESQUELETO 1. Movimiento celular

♠ Movimiento ameboideo con emisión de seudópodos, determinado por la actina. ♠ Movimiento flagelar y ciliar, determinado por la actividad de microtúbulos. ♠ Contractibilidad del citoplasma, generalmente cambios en actina.

2. Movimiento intracelular ♠ Las fibras del huso mitótico participan en la traslación de los cromosomas durante la

división celular

♠ Traslación de vacuolas Arquitectura intracelular, el citoesqueleto determina la distribución de organelos, Forma celular determina su forma

RIBOSOMAS: Sólo visibles claramente al microscopio electrónico, no poseen membrana. Hay unos 105 ribosomas por célula; presentan una gran uniformidad de

tamaño, estructura y composición, como se aprecia en la figura constan de una sub unidad

menor y otra menor; se les considera imprescindibles para la vida. Contienen ARN

ribosómico. Se les encuentra adheridos a las paredes del retículo Endoplasmático

y también libres en el citoplasma formando los Polisomas (ribosomas + RNA mensajero)

o núcleo. Realizan síntesis o formación de proteínas, ya sea en forma libre como

asociada a RER

36

.

ORGANELOS:

Estructuras biomoleculares definidas con funciones altamente específicas en la

célula, pueden tener 1 membrana, 2 membranas o no poseer membrana. Los

más importantes son:

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO: Red de canalículos o sistemas de túbulos y vesículas aplanadas (cisternas de membrana simple)

interconectados a la membrana nuclear. Está constituido por dos fracciones Retículo Endoplasmático rugoso (RER): con ribosomas adosados a sus paredes, y su función es la síntesis y almacenamiento

de proteínas, para ello disponen de una gran cantidad de enzimas y estructuras derivadas del ARN, como son los ribosomas,

ARN mensajero y ARN transferente. Las proteínas producidas pueden ser de tres tipos, de membrana, de exportación o secreción y

enzimas digestivas. Retículo Endoplasmático liso (REL): sin ribosomas, su función es sintetizar lípidos, que forman las capas lipídicas de las

membranas celulares, hormonas esteroidales, o derivados del colesterol. Es detoxificador, es decir, inactiva la toxicidad de ciertas sustancias como drogas o desechos metabólicos del organismo (como NH3 y el grupo Hem), para su posterior excreción; En las

células musculares estriadas regula la concentración del ión calcio. En este tipo de célula el REL recibe el nombre de Retículo Zarcoplásmico. También realiza intercambio de sustancias entre el interior y el exterior de la célula, a través de vesículas que emergen desde la estructura principal.

• APARATO DE GOLGI: Es un sistema membranoso formado por vesículas y cisternas aplanadas, que sirve para “almacenar proteínas”. Se dice que en el Golgi las proteínas se unen a una fracción hidrocarbonada, las glucoproteínas. Sin embargo, estudios recientes afirman que Golgi tiene una función de procesamiento celular muy importante, recibe todos los productos elaborados en RER, REL y otras partes de la célula, los agrupa, modifica y los deja funciónales para ser usados por la misma célula o para ser exportados fuera de ella. Posee dos sectores denominados como Cis, de ingreso y Trans, de egreso. Está íntimamente relacionado al sistema de vacuolas y vesículas de la célula. Los fragmentos de Golgi se llaman Dictiosomas, especialmente en células vegetales.

• VACUOLAS: son pequeñas vesículas membranosas que posee en su interior algún material químico de importancia, de acuerdo a lo que transporten se les asigna un nombre en particular, por ejemplo, las vacuolas que ingresan elementos sólidos a digerir se les denomina Fagosomas, en tanto que las sustancias líquidas se incorporan por un Pinosoma. En la célula vegetal son de gran importancia por ser el punto de reserva de agua, algo similar ocurre en protozoos con la vacuola contráctil o en las células adiposas con su vacuola de almacenamiento de lípidos.

37

• LISOSOMAS: Son pequeñas bolsas derivadas de Golgi, con enzimas digestivas capaces de degradar la mayoría de los constituyentes de la materia viva; sus enzimas son hidrolíticas. Poseen enzimas hidrolíticas, por ejemplo: Lipasas, fosfolipasas, glucosidasas, proteasas, nucleasas. El funcionamiento de estas enzimas es a pH 5, por lo que se hallan confinadas sólo dentro de una vesícula, la liberación de las enzimas sobre el citoplasma puede ser letal para la célula. Dada la característica hidrolítica, participan en la digestión intracelular de sustancias provenientes del exterior (procesos de Fagocitosis, pinocitosis o endocitosis), o de sustancias del interior (Autofagia). La unión de un fagosoma con el lisosoma, da lugar, a una vacuola digestiva; lo útil difunde hacia el citoplasma, lo no digerible queda contenido en el cuerpo residual, que se une con la membrana plasmática y expulsa su contenido al exterior (exocitosis). Véase el esquema representativo de transporte membranal.

• PEROXISOMAS: vesículas semejantes a los lisosomas presentes en todas las células eucariontes. Contienen enzimas del tipo oxidasas, que oxidan sustancias como el ácido úrico y aminoácidos, Esto provoca la formación de H2O2 (peróxido de hidrógeno o agua oxigenada) que puede ser perjudicial para la célula por lo que poseen otra enzima, Catalasa que descompone el peróxido

• GLIOXISOMAS: una variedad de peroxisomas, pero exclusivo de células vegetales. Contienen enzimas que convierten ácidos grasos en azúcares (ciclo del glioxilato). También se forma H2O2, el cual debe ser degradado por la catalasa.

• CENTRÍOLO: Se encuentran en plantas inferiores (asexuadas) y células animales. Son derivados del citoesqueleto, de hecho su

presencia se justifica debido a que el citoesqueleto no debe desorganizarse durante el proceso que se divide la célula. Por ello se dispone de estros microtúbulos que organizan un conjunto de fibras conocidas como Huso mitótico. Participan en la división celular o reproducción. Se ubican rodeando al núcleo en un extremo en una zona denominada centro celular o centrosoma. Tienen el aspecto de pequeños cilindros perpendiculares uno respecto al otro. En la mitosis (y/o meiosis) se duplican y disponen en los polos opuestos de la célula para formar el huso, cuya misión es sostener y distribuir a los cromosomas durante la división nuclear. En los vegetales superiores existe un centro organizador de microtúbulos (COMT) que carece de centríolos, el cual organiza el huso mitótico, esto estaría explicado por la presencia de pared celular en los vegetales que hace posible que el citoesqueleto se reorganice para otras funciones.

37

MITOCONDRIAS: Organelo de forma bacilar o esférica con una membrana externa, muy

simple, altamente permeable y otrainterna, más compleja (similar a

la procarionte) de característica muy plegada (presenta crestas), ambas

membranas separadas por un espacio intermedio denominado cámara externa. La

membrana interna delimita un espacio denominado cámara interna o matriz. La matriz

posee un plasma semejante al citosol, pero más semejante al protoplasma bacteriano.

Presenta varias enzimas, iones, nucleótidos, ribosomas 70 S, ADN circular cerrado (el

mismo que poseen las bacterias), por lo que hay una pequeña cantidad de proteínas

mitocondriales que se sintetizan aquí. Se cree que son bacterias incorporadas a la

célula y que viven en simbiosis (teoría de la Endosimbiosis). Producen y almacenan

energía en forma de ATP (Adenosín trifosfato) a través de la oxidación biológica de

compuestos orgánicos como la glucosa u otros combustibles en el proceso de

respiración celular. Se les conoce también como condriocontos y en conjunto se les dice

Condriosomas, sin embargo, esta denominación ya no es muy usada.

• PLASTIDIOS: Son exclusivos de las células vegetales. Acumulan sustancias que muchas veces proceden de sus propias síntesis:

pueden ser amiloplastos (almidón), oleoplastos (aceites) o proteoplastos (proteínas). Estos son generalmente incoloros y se

clasifican como Leucoplastos. Otros son coloreados por pigmentos y se llaman Cromoplastos; los más importantes son los

Cloroplastos que contienen clorofila, importante en la Fotosíntesis. Todos están íntimamente ligados entre sí, de tal modo que se

pueden convertir unos en otros según la actividad fisiológica de la célula. Aún cuando los estudios actuales de biología vegetal prefieren

usar otras denominaciones al respecto y solo discuten el tema exclusivo de los cloroplastos.

38

• CLOROPLASTOS: De forma ovoide, posee una membrana externa simple y permeable y una interna más compleja, pero muy selectivamente permeable, que encierra un medio interno denominado matriz o Estroma (C). En el estroma se halla una compleja

red de cisternas membranosas denominadas tilacoides (A), que si se disponen

discoidalmente uno sobre el otro forman la Grana (B). La membrana es semejante a

cualquiera otra salvo por la presencia de una gran cantidad de proteínas con diversas funciones.

Función:

La función principal de los cloroplastos está asociada a la fotosíntesis, o síntesis de

moléculas orgánicas con energía solar.

Síntesis de ácidos grasos

Reducción del ión nitrato a amonio, para la síntesis de aminoácidos

Reducción del ión sulfato a ión sulfhídrilo, para la síntesis de aminoácidos azufrados

• Inclusiones o paraplasma: Son productos elaborados por el protoplasma (endocelulares), por ejemplo: almidón, glucógeno, etc. También hay productos extracelulares como Vacuolas de grasa o cápsulas de sílice (frústulos) en microalgas. Características:

1. pueden ser coloreadas o incoloras

2. no cumplen función determinada (algunas)

3. son producidas en su mayoría por la célula

Las más importantes son: ♠ Nutrición: Glucógeno, almidón, plaquetas vitelinas, etc. ♠ Pigmentos: caroteno (amarillo - naranja), melanina (negro), hemoglobina (rojo), etc.

ATENCIÓN:

En el citoplasma ocurre un fenómeno llamado CICLOSIS o movimiento plasmático que consiste en corrientes del

citoplasma que arrastra las mitocondrias, inclusiones, etc. Éste movimiento parece estar inducido por agentes

externos, ya que puede provocarse mediante estímulos químicos o luminosos.

NÚCLEO: Cuerpo generalmente esférico, refringente, separado del citoplasma por la carioteca o membrana nuclear. Está formado por ácidos

nucleicos (ADN, ARN) y proteínas (histonas). Es lo que distingue a las células eucariontes. Ocupa alrededor del 10% del volumen celular.

Generalmente se ubica en el centro de la célula, pero en algunos casos puede ser periférico, como en las células musculares. Su forma

depende del tipo celular. Normalmente es esférico, ovoide o irregular. Es el centro de control celular dado que allí se encuentra toda la

información genética de célula para su función vital. Existen algunas células que pueden no tener núcleo en algún momento, pero debes

tener claro que esto no es lo normal, dado que con ello la célula pierde toda capacidad de reproducción y además su metabolismo es

mínimo, ejemplo, los glóbulos rojos que son consideradas células Fantasmas (este tema se tratará en el capítulo de reproducción celular).

39

FORMA, TAMAÑO Y VOLUMEN CELULAR

FORMA:

a) Variable: Amebas, leucocitos, etc.

b) Estable: Espermatozoides, eritrocitos, neuronas, etc.

La forma celular depende de: • La tensión superficial; • Acción mecánica de las células vecinas; • Rigidez de la membrana; • Adaptación funcional, etc.

TAMAÑO Y VOLUMEN: Con pocas excepciones, las células son muy pequeñas y rara vez

exceden las dimensiones microscópicas, es decir, menos de 1

milímetro. El tamaño celular está en directa relación con la función

que desempeña. En tanto que el volumen está determinado para

cada tipo de célula y no depende del tamaño del órgano u

organismo del que forma parte. Sin embargo, una de las

restricciones principales al tamaño de la célula es la relación entre

el volumen y la superficie, a medida que el volumen aumenta la

superficie disminuye rápidamente en proporción al volumen, lo

que limitaría mucho el paso de sustancias hacia el interior del

organismo ya que se poseería muy poca superficie de

incorporación, por ello las células tienden a ser más bien

pequeñas para tener una mejor relación superficie volumen. De hecho lo que se busca es tener un volumen uniforme pero con la mayor

superficie posible lo que se conoce como “Ley del volumen celular constante o Ley de Driesch”. Esto se explica matemáticamente con la

siguiente descripción: “como sucede con todas las esferas, conforme aumenta el radio de la célula su contenido (volumen) crece

proporcionalmente al cubo del radio, mientras que su área superficial se incrementa apenas al cuadrado del radio. Por consiguiente, la

capacidad superficial de paso de materiales a través de la membrana se incrementa al cuadrado del radio, pero las necesidades de la célula

crecen al cubo del radio. De este modo, las dimensiones celulares llegan a un punto en el que la superficie es demasiado pequeña para

sostener las necesidades metabólicas de un interior que crece con mucha rapidez”. Otro factor importante a considerar en las dimensiones

celulares es la relación núcleo citoplasma para mantener un control adecuado de las funciones celulares.