Unidad I: Organización, Estructura y Actividad Celular

C U R S O: BIOLOGÍA MENCIÓN
MATERIAL N°01.
Unidad I: Organización, Estructura y Actividad Celular
Teoría celular y moléculas inorgánicas.
Calcio 1 %
Fósforo 0,7 %
Potasio 0,4 %
Azufre 0,3 %
Sodio 0,3 %
Cloro 0,2 %
Magnesio 0,1 %
Nitrógeno 3 %
Hidrógeno 10 %
Carbono 19 %
Oxígeno 65 %
Los seres vivos están constituidos por los mismos componentes químicos y
físicos que la materia inerte, y obedecen a las mismas leyes físicas y químicas.
Seis elementos (C, H, N, O, P y S) constituyen el 98% de toda la materia viva.
1. Introducción.
Se cree que todos los organismos, y todas las células que los constituyen, descienden por
evolución de una célula ancestral común, mediante selección natural. La evolución es el
principio central de la biología, ya que nos ayuda a comprender la asombrosa diversidad del
mundo vivo. Este proceso implica dos procesos esenciales:
• la aparición de una variación al azar en la información genética transmitida de un
individuo a sus descendientes, y
• la selección de la información genética que ayuda a su portador a sobrevivir y
multiplicarse.
Millones de especies diferentes de organismos vivos pueblan la Tierra. Muchas de las
especies, esperan ser descubiertas por los científicos. El alcance de la biología, el estudio
científico de la vida, se define a través de una jerarquía de organización biológica, desde
biomoléculas hasta biosfera. La vida se compone de materia, que es todo lo que ocupa espacio y
tiene masa. La materia, incluso la que constituye los organismos más complejos, está constituida
por combinaciones de elementos.
En la Tierra, existen unos 92 elementos. Muchos son muy conocidos, como el carbono,
que se encuentra en forma pura en el diamante y en el grafito; el oxígeno, abundante en el aire
que respiramos; el calcio, que utilizan muchos organismos para construir conchas, cáscaras de
huevo, huesos y dientes, y el hierro, que es el metal responsable del color rojo de nuestra
sangre.
Unos 25 de los 92 elementos naturales son esenciales para la vida. Como puede verse en
la figura de la portada, cuatro de ellos, oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y
nitrógeno(N), constituyen 97 % del cuerpo humano, que un ejemplo típico de la materia viva.
En el nivel químico, la partícula más pequeña de un elemento es el átomo, que al
combinarse con átomos de dos o más elementos diferentes, en proporciones definidas y
constantes, originan los compuestos. Los compuestos químicos son mucho más comunes que los
elementos puros. Muchos compuestos consisten sólo en dos elementos, por ejemplo, la sal de
mesa, cloruro de sodio (NaCl) contiene partes iguales de los elementos sodio (Na) y cloro (Cl). En
cambio, la mayor parte de los compuestos en los organismos vivos contiene al menos tres o
cuatro elementos diferentes, principalmente carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Las
proteínas, por ejemplo, están formadas por cuatro elementos (C, H, O y N), y la celulosa está
formada por tres (C, H y O). Los diferentes arreglos atómicos determinan las propiedades únicas
de cada compuesto.
En el nivel celular, muchos tipos distintos de átomos y macromoléculas se asocian entre
sí y forman células. Sin embargo, una célula es mucho más que un montón de átomos y
moléculas, “es la unidad estructural y funcional básica de la vida”, el componente más simple de
la materia viva que es capaz de realizar todas las actividades necesarias para la vida.
En los organismos metacelulares, las células forman tejidos que a su vez se disponen en
estructuras funcionales llamadas órganos. Un conjunto de órganos coordinadamente cumple
funciones biológicas integrándose como un sistema de órganos. Los aparatos o sistemas de
órganos se relacionan y cumplen sus funciones en forma coordinada y precisa estructurando el
complejo organismo multicelular.
Los organismos de una misma especie, que habitan en la misma área y en el mismo tiempo,
constituyen una población. Las distintas poblaciones de organismos que interactúan en una
misma área estructuran una comunidad biótica o biocenosis.
El ecosistema es aquel nivel en que la comunidad se relaciona con el ambiente físico o
abiótico (biotopo). Los ecosistemas que presentan similitudes se agrupan en la categoría de bioma
y la totalidad de ellos es la biosfera (Figura 1).
2
Figura 1: Niveles de organización biológica.
Átomos
Tejidos
Así, una molécula de agua tiene
propiedades diferentes de la suma de las
propiedades de sus átomos constitutivos hidrógeno y oxígeno-. De la misma
manera, una célula cualquiera tiene
propiedades diferentes de las de sus
moléculas constitutivas, y un organismo
multicelular
dado
tiene
propiedades
nuevas y diferentes de las de sus células
constitutivas. De todas las propiedades
emergentes, sin duda, la más maravillosa
es la que surge en el nivel de una célula
individual, y es nada menos que la
vida.
BIOLOGÍA
CELULAR
Células
Cada nivel de organización incluye a los
niveles inferiores y constituye, a su vez,
los niveles superiores (Figura 1). Y lo que
es más importante, cada nivel se
caracteriza por poseer propiedades que
emergen en ese nivel y no existen en el
anterior: las propiedades emergentes.
BIOLOGÍA
MOLECULAR
Macromoléculas
QUÍMICA
Moléculas
FISIOLOGÍA
Órganos
Sistemas de
órganos
Organismos
Poblaciones
ECOLOGÍA
Comunidades +
Biotopo
Ecosistemas
Biomas
Biosfera
3
2. Teoría celular.
La célula fue descrita inicialmente por Robert Hooke (1665) al estudiar con el microscopio
unas finas laminillas de corcho. Según sus observaciones, dichas laminillas estaban formadas por
un entramado de fibras que dejaban una serie de espacios, los cuales parecían las celdillas de los
panales de las abejas, y por ello las denominó células.
En principio, esta descripción pasó como mera curiosidad, pero, con el tiempo y el
perfeccionamiento de los microscopios, se fue observando que aquellas celdillas o células estaban
presentes en muchos tejidos vegetales y el contenido de las mismas no era un espacio vacío,
como en el corcho, sino que estaba formado de una masa viscosa a la que se llamó
protoplasma o citoplasma y en la cual había un gránulo más o menos voluminoso al que se
denominó núcleo.
En los tejidos animales, la descripción de los elementos celulares fue más lenta, dado que
los tejidos son menos consistentes y degeneran antes perdiendo su estructura. Sin embargo,
como en los tejidos vegetales, se fue observando que eran las células los elementos básicos en la
estructura.
Finalmente, un botánico (Schleiden) y un zoólogo (Schwann) recogieron las
observaciones y descripciones realizadas en vegetales y animales y formularon en 1839 el
principio básico de la Teoría Celular. Posteriormente se comprobó también que los
microorganismos son en realidad organismos unicelulares.
Sobre la base de todas estas investigaciones, en 1855, se estableció un principio que
resultaría central para la biología. Dos investigadores alemanes, Robert Remarck (1815-1865)
y Rudolph Virchow (1821-1902) formularon la siguiente afirmación: toda célula procede de
otra célula. "Donde existe una célula debe haber habido una célula preexistente, así como un
animal surge solamente de un animal y una planta surge solamente de una planta. A través de
toda la serie de formas vivas, sean organismos animales o vegetales enteros, o sus partes
componentes, gobierna una ley de desarrollo continuo".
La teoría celular se enfrentó en sus comienzos con la Teoría Vitalista, según la cual la
fuerza vital era una más de las fuerzas que gobiernan la naturaleza, como la fuerza gravitatoria o
la fuerza eléctrica. Según la teoría vitalista, los organismos vivos formados por materia inerte
manifiestan su actividad biológica en tanto que poseen un principio etéreo llamado principio vital,
generador de la fuerza comentada anteriormente.
Con el tiempo se fue observando que las distintas facetas de la actividad de los seres vivos
se deben a la acción conjunta y coordinada de los numerosos elementos celulares que
constituyen el organismo. El primer proceso en ser explicado en estos términos fue el de la
génesis celular. Se comprobó que las células proceden unas de otras por división, de tal modo
que las miles de millones de células que forman el organismo adulto metacelular no resultan sino
de las sucesivas divisiones de una única célula: el cigoto resultante de la fusión del
espermatozoide y el óvulo.
Los distintos procesos biológicos fueron así paulatinamente explicados en términos de
interacción entre células o como resultado de la función celular. La última etapa se dedicó al
estudio de la actividad nerviosa. La complejidad de los procesos nerviosos como rectores de
fenómenos superiores, (por ejemplo, la inteligencia, el afecto, etc), contrastaban con la
simplicidad que se observó en los primeros estudios sobre la estructura de los centros nerviosos.
En dichos trabajos se observaba la existencia de una red de fibras a las cuales se anclaban los
elementos celulares que se suponía formaban una red sincitial en la que existía una fusión de los
citoplasmas.
Los estudios de Ramón y Cajal, demostraron que los centros nerviosos no están
formados por una red continua, sino que los elementos celulares (neuronas en el sistema
nervioso) establecen contactos unos con otros. El flujo de información a través de los contactos
define el funcionamiento básico del sistema nervioso. Por tanto, también en el caso del tejido
nervioso la actividad de los órganos se debe a la interacción entre los elementos celulares que lo
componen.
4
La vida se caracteriza por una serie de propiedades que emergen en el nivel de
organización celular. La teoría celular constituye uno de los principios fundamentales de la biología
y establece que:
Síntesis
•
Todos los organismos vivos están formados por una o más células. La estructura
del organismo como un todo se debe a la especial disposición de sus células y de
las estructuras que estas generan. (La célula como unidad Estructural).
•
Las reacciones químicas de un organismo vivo, incluyendo los procesos
liberadores de energía y las reacciones biosintéticas, tienen lugar dentro de las
células. (La célula como unidad funcional).
•
Toda célula procede de la división de otra anterior. (La célula como unidad de
origen).
•
Las células contienen la información hereditaria de los organismos de los cuales
son parte y esta información pasa de la célula progenitora a la célula hija.
Aún, cuando toda célula existente respeta en principio la teoría celular, existe una gran
variedad de tamaños, formas, tipos y asociaciones celulares que se observan en el mundo de lo
vivo, esto es consecuencia de procesos “adaptativos” que surgen como la suma de múltiples
eventos de selección natural, acontecidos bajo diferentes condiciones ambientales. No obstante
esta gran diversidad, las células tienen propiedades y/o características comunes, tales
como:
•
Poseer una maquinaria metabólica: que le permite realizar los procesos vitales de
desarrollo, crecimiento y reproducción.
•
Poseer un centro de almacenamiento de la información genética (DNA), y control de los
procesos vitales (mecanismos de regulación de la expresión génica).
•
Poseer una membrana plasmática, que delimita al citoplasma, y cuya función principal es
regular el intercambio de sustancias entre la célula y el exterior, manteniendo el medio
intracelular constante dentro de ciertos límites permisibles, (mecanismo de permeabilidad
selectiva).
Los organismos se agrupan en tres categorías principales llamadas dominios (Bacteria,
Archaea y Eukarya). Eukarya incluye cuatro reinos: Protista, Fungi, Plantae y Animalia, todos ellos
eucariontes. Los organismos pertenecientes al dominio Bacteria forman el reino de las
Eubacterias. En el dominio Archaea se pueden mencionar las archeobacterias acidófilas,
termoplasmales y metanobacterias. Tanto las Eubacterias como las Archeobacterias son
procariontes (Figura 2).
5
Figura 2. Clasificación de los seres vivos en tres dominios y seis reinos (Woese 1990).
3. Célula procariota.
Los procariotas son esencialmente unicelulares, aunque en algunos casos las células
forman racimos, filamentos o cadenas.
Hay dos grupos muy diferentes de procariotas, que conforman dos de los tres dominios
que incluyen bacterias con metabolismo quimiosintético, fotosintético y heterótrofo.
•
Dominio Archaea (Arqueobacterias): Son bacterias primitivas que se caracterizan porque
su hábitat corresponde a ambientes donde las condiciones son extremas: aguas termales,
fondo marino, cráteres volcánicos (Figura 3).
•
Dominio Bacteria: comprende algunas especies como Cianobacterias (que son los
organismos más antiguos y conservados del mundo), bacterias Gram positivas y Gram
negativas, bacterias púrpuras y otras. Son las bacterias más familiares para las personas,
ente ellas hay autótrofas (quimiosintéticas y fotosintéticas), descomponedoras y
heterótrofas (algunas son patógenas) (Figura 4).
6
Figura 3.
Microfotografía de una
Arqueobacteria.
3.1. Estructura Bacteriana (figura 5)
Figura 4. (A) Esquema y (B) Microfotografía electrónica de una Eubacteria.
7
3.1. Estructura bacteriana (Figura 5)
Figura 5. Esquema de una típica
célula bacteriana Gram - .
a) Pared Celular
Otorga forma a la célula, resistencia a la lisis celular y protección, al actuar como barrera
para algunas sustancias impidiendo que penetren dentro de la célula.
Está formada básicamente por peptidoglucano, un polímero formado por azúcares y
polipéptidos. La diferencia en composición de la pared celular de las bacterias, ha permitido
clasificarlas en Gram +, que reaccionan positivamente a la tinción Gram adquiriendo una
coloración púrpura y las Gram - que no retienen el pigmento tomando una tonalidad rosada.
Gram +
Gram -
Figura 6. Composición de la pared celular en bacterias Gram + y Gram-.
8
La pared celular de las bacterias Gram + está formada por una gruesa capa de
peptidoglucano ( mureína), en cambio la pared de las bacterias Gram – consta de dos capas, una
delgada de peptidoglucano y una gruesa membrana externa formada por lípidos, proteínas e
hidratos de carbono.
Algunas bacterias poseen por fuera de la pared una capa viscosa o cápsula, formada
por azúcares (oligosacáridos) que posee distintas funciones:
•
•
•
•
Adherencia.
Resistencia a la desecación.
Material de reserva.
Patogenicidad: provee resistencia a la acción de agentes bactericidas y a la fagocitosis.
b) Membrana Plasmática
Formada por una bicapa lipídica y proteínas. No presenta colesterol. Sus funciones son:
•
•
•
•
Regular el intercambio de sustancias entre la célula y su medio.
Contener enzimas que actúan en la producción de energía y síntesis de pared celular.
En las bacterias aeróbicas la membrana se invagina y forma los mesosomas, que contiene
las enzimas que participan en la respiración celular, otorgando energía para el metabolismo
bacteriano.
En las bacterias fotosintéticas, la membrana forma lamelas, que contienen los pigmentos
y enzimas que participan en la fotosíntesis.
c) Citoplasma
El citoplasma es un fluido que contiene sustancias disueltas y partículas en suspensión
como los ribosomas. El 80% del citoplasma corresponde a agua y el resto lo componen ácidos
nucleicos, proteínas, carbohidratos, lípidos, iones, etc. En este fluido ocurren las reacciones
metabólicas como la síntesis de material celular a partir de los nutrientes (anabolismo) y la
degradación de nutrientes para obtener energía (catabolismo).
Ribosomas ( tipo 70 S): son organelos celulares amembranosos formados por RNA y
proteínas, organizadas en dos subunidades (una de 30 S y otra de 50 S) donde tiene lugar la
síntesis de proteínas. Se encuentran libres en el citoplasma o bien asociados a la parte interna de
la membrana celular.
d) Material Genético
El material genético ocupa la zona central de la célula y está unido a la membrana cerca
de los mesosomas, formando un cromosoma circular constituido de una molécula de DNA no
asociado a histonas (proteínas).
Muchas bacterias, además de poseer este DNA, poseen plásmidos , que son pequeños
trozos de DNA circular de replicación independiente del DNA cromosómico, los que confieren a las
bacterias ventajas competitivas que les permiten desarrollarse en condiciones adversas
(resistencia a antibióticos, metales pesados). Los plásmidos pueden replicarse e intercambiarse
de una bacteria a otra mediante conjugación bacteriana.
El pequeño tamaño de los plásmidos los hace especialmente adecuados para su
manipulación, por lo que son útiles en técnicas de DNA recombinante (ingeniería genética).
9
e) Flagelos
Algunas bacterias poseen flagelos, que son filamentos proteicos que se extienden desde el
citoplasma a través de la pared celular y son responsables de la movilidad de las bacterias.
f) Fimbrias o Pili
Algunas bacterias tienen cientos de apéndices denominados pilis. Estas estructuras
proteínicas son organelos de fijación que ayudan a la bacteria a adherirse entre sí o a
determinadas superficies, como las células que infectarán. Algunos pelos (fimbrias) participan en
la transmisión de ADN entre bacterias (conjugación).
Tabla 1.COMPARACIÓN ESTRUCTURAL ENTRE CÉLULAS PROCARIONTES Y EUCARIONTES
Características
Ejemplo
Célula Procariótica
Célula Eucariótica
Eubacterias y Arqueobacterias.
Protistas (protozoos, algas),
hongos, animales y vegetales.
Tamaño
Lo habitual es de 0,5 – 10 µm La mayoría entre 10 – 50 µm de
de diámetro.
diámetro.
Presentación del DNA
Libre en el citoplasma, sin
histonas, DNA circular cerrado.
Se suele designar el nombre de
nucleoide al espacio que ocupa
el DNA en el citoplasma de la
bacteria.
Ausente.
Compartimentalización
citoplasmática
y
Encerrado en el núcleo por la
envoltura
nuclear,
tiene
una
disposición lineal, asociándose con
proteínas (histonas y no histonas),
denominándose cromatina.
Presente, con varios tipos de
organelos tales como mitocondrias,
cloroplastos, lisosomas, vacuolas,
etc.
Ribosomas
Más
pequeños
( 70 S )
livianos Más grandes y pesados ( 80 S )
Pared Celular
No celulósica, sino de tipo Ausente en células animales,
glicopeptídica (peptidoglucano). presente en las células vegetales y
algunos protistas
(compuesta
principalmente por celulosa).
Presente en hongos (quitina).
Locomoción
Flagelos, estructurados por una Cilios y flagelos a base de un
proteína (flagelina).
esqueleto microtubular de tubulina.
Citoesqueleto
Ausente.
Presente,
constituido
por
microtúbulos,
filamentos
intermedios y microfilamentos.
S = es una unidad de coeficiente de sedimentación (Svedberg).
10
4. Composición química de la materia viva.
4.1. Compuestos inorgánicos.
a) Agua.
Esta molécula sencilla, constituye la sustancia más abundante en los seres
vivos (de un 65% a un 95% de su masa).
Su importancia biológica se pone de manifiesto al observar que su
abundancia en un ser vivo guarda una estrecha relación con la actividad
metabólica que éste realice.
La vida es posible gracias a las atípicas características físico-químicas que
presenta.
Cada molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y
uno de oxígeno (O). Presenta una estructura angular con polos positivos en
los hidrógenos y un polo negativo en el oxígeno (Figura 7).
Figura 7: Modelo que
representa la molécula
de agua.
Este carácter polar de las moléculas de agua es responsable de la mayoría de sus
propiedades. Permite que se produzcan interacciones electrostáticas, denominadas enlaces de
hidrógeno (Figura 8), con otras moléculas polares y con iones, o interacciones dipolo-dipolo con
otras moléculas de agua.
Figura 8. Formación de los puentes de hidrógeno entre las cargas parciales positiva y negativa de las
moléculas de agua.
11
PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL AGUA Y SUS FUNCIONES EN LOS SERES VIVOS.
•
Gran fuerza de cohesión. La cohesión es la tendencia de las moléculas de agua a estar
unidas entre sí, esta característica la hace un líquido prácticamente incompresible, capaz de
conferir volumen y turgencia a muchos seres vivos, uni o pluricelulares (por ejemplo, el
esqueleto hidrostático en las plantas).
•
Elevada capacidad disolvente. Esta propiedad hace que las sales cristalizadas y otros
compuestos iónicos se disocien en sus cationes y aniones. Asimismo, debido a su polaridad, el
agua disuelve con facilidad otros compuestos no iónicos, pero que poseen grupos funcionales
polares. Todo ello la convierte en la sustancia disolvente por excelencia. Esta capacidad es
responsable de dos importantes funciones del agua en los seres vivos:
a) Es el vehículo de transporte que permite la circulación de sustancias en el interior de los
organismos y en su intercambio con el exterior. Así, tanto el aporte de nutrientes como la
eliminación de los productos de desecho se realizan mediante disolución acuosa de los
mismos.
b) Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquímicas, ya que la mayor parte
de las biomoléculas se encuentra disuelta en ella y necesita un medio acuoso para
interaccionar.
•
Escasa densidad en estado sólido. El agua congelada se expande producto de la mayor
separación de las moléculas de agua entre sí, confiriéndole una menor densidad respecto del
agua líquida, por lo que flota sobre ella. Esta característica permite la vida acuática en zonas
frías, ya que en los lagos, ríos y mares de estas zonas, al descender la temperatura, se forma
una capa de hielo en la superficie que la mantiene a 0°C, protegiendo el agua situada bajo ella
de los descensos térmicos del exterior y manteniéndola alrededor de los 4 o 5°C, suficientes
para la supervivencia de muchas especies.
•
Elevado calor específico. El agua puede absorber una gran cantidad de calor mientras que
su temperatura sólo asciende ligeramente, ya que parte de esa energía habrá sido utilizada en
romper los enlaces de hidrógeno. Esto la convierte en un buen aislante térmico que
mantiene la temperatura interna de los seres vivos a pesar de las variaciones externas.
•
Alto calor de vaporización. El agua tiene la propiedad de absorber mucho calor cuando
cambia del estado líquido al gaseoso, por tanto, para que una molécula se “escape” de las
adyacentes, han de romperse las uniones entre ellas y, para esto, se necesita una gran
cantidad de energía (más de 500 calorías para evaporar 1 gramo de agua.)
Los seres vivos utilizan esta propiedad para refrescarse al evaporarse el sudor. Esta propiedad
es utilizada como mecanismo de regulación térmica.
El calor es una forma de transferencia de energía cinética o del movimiento de las
moléculas. Hay que advertir que no son lo mismo calor y temperatura. El calor refleja el
movimiento molecular y el volumen, y se mide en calorías mientras que la temperatura
es una medida relativa que representa la cantidad de calor que se manifiesta en un cuerpo
por diferencia con otro, es decir, la cantidad de calor que pasa del más caliente al más frío.
12
4.2. Sales inorgánicas.
En los sistemas vivos, las sales inorgánicas se encuentran básicamente de tres modos diferentes:
disueltas, precipitadas o combinadas con moléculas orgánicas.
• La mayor parte de las sales se hallan disueltas en medios acuosos, tal es el caso de Sodio (Na+),
Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Cloruro (Cl-), Bicarbonato (HCO3-) o Fosfato (PO43-), iones que
participan en diversas reacciones químicas en función de su afinidad eléctrica. Por ejemplo,
regulación de la acidez (pH) y formación de potenciales eléctricos.
El líquido amniótico es una disolución verdadera similar a la del agua de
mar, lo que puede indicar que los vertebrados superiores proceden de
animales marinos.
• Otras sales se encuentran precipitadas formando, de este modo, estructuras sólidas y rígidas;
tal es el caso del fosfato cálcico (Ca3(P04)2), que al precipitar sobre una matriz de proteínas
fibrosas forma los huesos. El caparazón de los moluscos y de los crustáceos y la dentina de los
dientes están formados por carbonato cálcico (CaCO3) y las espículas de algunas esponjas están
formadas por sílice (SiO2).
Los otolitos del oído que intervienen en el mantenimiento del equilibrio están
constituidos por carbonato de calcio.
• Otras moléculas inorgánicas se encuentran, por último, combinadas con alguna molécula
orgánica. El ejemplo más llamativo es el hierro (Fe2+) en la molécula de hemoglobina y el
magnesio (Mg2+) en la clorofila (Figura 9).
Figura 9. Estructura de la molécula de clorofila, donde
el Mg2+ ocupa una posición central; en la molécula de
hemoglobina, en dicha posición se sitúa un Fe2+, que
posee dos enlaces de coordinación más, uno con una
proteína y otro con una molécula de oxígeno.
13
Funciones de las sales inorgánicas
•
Función estructural.
Los principales tejidos de sostén están formados por depósitos de sales sobre una matriz;
también en algunos organismos vegetales existen sales que al precipitar entre los polisacáridos de
la pared dan mayor consistencia al tejido vegetal. Las sales precipitadas forman un soporte rígido
sobre el que se pueden desarrollar los distintos, órganos y tejidos.
•
Regulación del pH.
La mayor parte de las estructuras biológicas son estables gracias a un delicado equilibrio
de cargas eléctricas que se mantienen en este estado debido a la presencia de una concentración
constante de iones H+. Dicha concentración se cuantifica mediante el pH.
Cada sistema biológico desarrolla su actividad a un determinado valor de pH, el cual se
mantiene constante gracias a determinadas sustancias que corrigen los desequilibrios en la
concentración de H+. Tales mecanismos se denominan sistemas tampón o buffer.
•
Formación de potenciales eléctricos
Las sales en solución son partículas cargadas eléctricamente (iones). Por lo tanto, pueden
ser utilizadas para crear diferencias de potencial. De este modo, en la mayor parte de las células
las concentraciones de sales como Cl-, Na+ o K+ a ambos lados de la membrana son distintas, de
tal modo que el número de cargas positivas en el exterior es superior al de negativas en el medio
intracelular. Con esta diferencia en la distribución de iones se forma una diferencia de potencial
eléctrico. Ejemplo: células nerviosas y musculares.
Las membranas son impermeables a los iones, por lo que su concentración fuera y
dentro de la célula está regulada por dos tipos de estructuras: bombas, que incorporan
o sacan iones de la célula, y canales que al abrirse esporádicamente dejan pasar a los
iones, que según su gradiente de concentración pueden salir o entrar.
•
Papel de las sales en la actividad enzimática
En un organismo vivo, la mayoría de las reacciones químicas ocurren por la existencia de
unas sustancias que las catalizan, denominadas enzimas. Sin estos catalizadores, dichas
reacciones se desarrollarían a velocidades tan bajas que apenas rendirían cantidades apreciables
del producto. Muchas enzimas necesitan para su funcionamiento la presencia de algunas sales
éstas pueden influir en la actividad enzimática de dos maneras: estabilizando el sustrato
(reactante) o regulando la actividad de la enzima.
•
Regulación del volumen celular y osmosis
Los medios con concentraciones de sales muy elevadas, denominados hipertónicos,
provocan la salida de agua del citoplasma, colapsando las células (se denomina crenación en
células animales y plasmólisis en células vegetales). Por el contrario, los medios con una
concentración de sales muy baja, hipotónicos, producen la entrada de agua a la célula animal,
que se hincha y se revienta (citólisis), en cambio esto no se observa en las células vegetales y
bacterianas que están protegidas por la pared celular.
14
El movimiento de agua a través de membranas semipermeables se conoce como osmosis y
la presión que ejerce el agua sobre la membrana durante este proceso osmótico para equilibrar
las concentraciones intra y extracelular se conoce como presión osmótica.
Un sistema tiende siempre al equilibrio iónico, por lo que cuando dos soluciones se ponen en
contacto a través de una membrana, ya sea el agua, o los solutos, atraviesan dicha
membrana en un sentido u otro hasta equilibrar ambas concentraciones.
•
Otras funciones (Tabla 2)
Otro ion, el Fe2+, forma el núcleo de la hemoglobina, proteína encargada de transportar el
oxígeno en la sangre. Es precisamente el Fe2+ el que se une al O2 en los pulmones. El Mg2+ se
encuentra en el núcleo central de la molécula de clorofila (figura 9), responsable de la absorción
de energía luminosa en la fotosíntesis.
El hierro puede estar en dos formas iónicas: Fe2+ y Fe3+; en la hemoglobina sólo
la forma Fe2+ (ferroso) es capaz de transportar O2.
Tabla 2. Algunos Minerales Esenciales en la Nutrición Humana
Funciones
Macrominerales
Calcio ( Ca2+ )
Fósforo ( PO43- )
Sodio ( Na+ )
Potasio (K+)
Cloro (Cl-)
Magnesio (Mg2+)
Constituyente de huesos y dientes; participa en la
regulación de la actividad nerviosa y muscular; factor de
coagulación.
Constituyente de: huesos, dientes, ATP, intermediarios
metabólicos fosforilados y ácidos nucleicos.
Catión principal del medio extracelular. Regula
volemia, balance ácido/base, función nerviosa y
muscular, bomba Na+, K+-ATPasa.
Catión principal del medio intracelular, función
nerviosa y muscular, bomba Na+, K+-ATPasa.
Balance de electrolitos, constituyente del jugo
gástrico.
Constituyente de huesos y dientes; cofactor enzimático.
Microminerales
Iodo ( I- )
Constituyente de hormonas tiroídeas (tiroxina).
Fluor ( F- )
Incrementa dureza de hueso y dientes.
Hierro (Fe2+ )
Presente en la hemoglobina para el transporte de O2.
15
5. Glosario:
Autótrofo: Un organismo capaz de sintetizar todas las moléculas orgánicas necesarias a partir de
sustancias inorgánicas simples (por ejemplo, H2O, CO2, NH3) y de alguna fuente de energía (por
ejemplo, luz solar); opuesto a heterótrofo. Las plantas, las algas y algunos grupos especializados
de procariotas son autótrofos.
Bioma: Un ecosistema terrestre que está determinado en gran medida por el clima, se clasifica
por lo general conforme a la vegetación predominante. Ejemplos: bosque, desierto, taiga, etc.
Biosfera: La zona de aire, suelo y agua de la superficie de la Tierra ocupadas por seres vivos.
Caloría: Cantidad de energía necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1gr. ó 1 cc. de
H2O.
Compuesto: Sustancia química compuesta por dos o más tipos de átomos en proporciones
definidas
Cromatina: El complejo de DNA y proteínas histónicas y no histónicas que componen a los
cromosomas eucarióticos; se tiñe intensamente.
Dominio: Máxima categoría utilizada en la clasificación biológica. Los tres dominios reconocidos
son: Eucarya, Archaea y Bacteria.
Elemento: Sustancia compuesta sólo por átomos del mismo número atómico y que no puede
descomponerse por medios químicos ordinarios.
Heterótrofo (Gr. heteros, otro, + trophos, que se alimenta de): Organismo que debe alimentarse
de sustancias orgánicas sintetizadas por otros organismos para obtener energía y pequeñas
moléculas estructurales; opuesto a autótrofo. Los animales, los hongos y muchos organismos
unicelulares son heterótrofos
Quimiosintético: Se aplica a las bacterias autótrofas que usan energía liberada por reacciones
inorgánicas específicas para impulsar sus procesos vitales, entre otros, la síntesis de moléculas
orgánicas.
Organelo: Una estructura subcelular que tiene una función especializada.
Ramón y Cajal, Santiago (1852-1934) Histólogo español. Por sus trabajos sobre la teoría de la
neurona compartió el premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1906 con Camilo Golgi.
Reino: Categoría taxonómica que agrupa a phylum o divisiones. Hasta el surgimiento de la
categoría de dominio, el reino era la categoría de nivel más alto en la clasificación biológica
Teoría: Una idea explicativa ampliamente aceptada que tiene amplitud de alcance y es apoyada
por una gran cantidad de pruebas.
16
Preguntas:
1. Indique la secuencia correcta de los niveles de organización biológica:
1. átomo
A)
B)
C)
D)
E)
1,
1,
1,
1,
3,
2,
3,
3,
3,
1,
3,
4,
2,
2,
2,
4,
2,
4,
5,
5,
2. célula
3. molécula
4. tejido
5. órgano
5
5
5
4
4
2. La principal diferencia entre células eucariontes y procariontes, radica en que estas últimas:
A)
B)
C)
D)
E)
son las únicas que poseen ribosomas.
no presentan membrana plasmática.
carecen de endomembranas.
se originan a partir de los virus.
no tienen material genético.
3. La Teoría Celular mantiene su condición de teoría a pesar que:
A)
B)
C)
D)
E)
algunas células son parásitas.
no todos los seres vivos están formados por células.
actualmente, es posible, la generación celular espontánea.
la primera célula no se originó de otra preexistente.
la célula puede vivir libre de otros sistemas vivos.
4. Los tipos celulares que no poseen un núcleo delimitado es muy probable que carezcan de:
A)
B)
C)
D)
E)
ribosomas.
mitocondrias.
material genético.
metabolismo propio.
membrana celular.
5. Sobre las moléculas de DNA de los procariontes es correcto afirmar que:
A)
B)
C)
D)
E)
son hebras simples.
están asociadas a histonas.
están encerradas dentro de la carioteca.
están asociadas a la membrana celular.
constituyen fibras de cromatina.
6. Además del DNA genómico algunas bacterias poseen plásmidos que tienen las siguientes
características, excepto:
A)
B)
C)
D)
E)
son circulares, cerrados y bicatenarios.
otorgan resistencia frente a los antibióticos.
pueden replicarse independiente del DNA genómico.
están asociados con histonas formando cromatina.
pueden pasar a través del pili o fimbria de una bacteria a otra.
17
7. Las membranas celulares en bacterias tienen las siguientes características, excepto:
A)
B)
C)
D)
E)
originan el citoesqueleto.
no contienen colesterol.
están formadas por una bicapa lipídica.
son selectivas para el ingreso de sustancias.
contienen enzimas responsables del metabolismo.
8. El material viscoso que rodea a algunas bacterias se denomina cápsula y se le reconoce
diversas funciones según la especie de bacterias. Una de las funciones que se presentan a
continuación no es propia de la cápsula:
A)
B)
C)
D)
E)
patogenicidad.
material de reserva.
resistencia a la desecación.
reproducción del material genético.
adherencia a ciertas superficies.
9. Señale cuál de las siguientes funciones no corresponde al calcio:
A)
B)
C)
D)
E)
constituir huesos.
factor de coagulación.
actuar como cofactor enzimático.
regulador del funcionamiento neuronal.
forma parte de la estructura de la hemoglobina.
10. Las sales minerales:
A)
B)
C)
D)
E)
realizan función catalítica.
aportan energía a las células.
en solución están disociadas en iones.
están presente sólo en las células humanas.
sólo se encuentran en células con función de sostén.
11. Sobre el sodio se puede afirmar que:
I.
II.
III.
A)
B)
C)
D)
E)
Participa en la conducción del impulso nervioso.
Regula el equilibrio osmótico.
Forma parte de la estructura de la clorofila.
Sólo I
Sólo II
Sólo III
Sólo I y II
I, II y III
12. A continuación se presentan macrominerales esenciales y sus funciones en los seres vivos.
En una de las alternativas está mal asociado:
A)
B)
C)
D)
E)
calcio = factor de coagulación.
sodio
= catión principal del medio extracelular.
magnesio = constituyente de las hormonas tiroídeas.
fósforo = constituyente de huesos y dientes.
potasio = catión principal del medio intracelular.
18
13. La pérdida de agua puede llegar a ocasionar la muerte de una célula porque:
I.
II.
III.
IV.
A)
B)
C)
D)
E)
El
El
El
El
agua
agua
agua
agua
es el principal solvente biológico.
regula la temperatura intracelular.
posibilita las reacciones metabólicas.
es necesaria para mantener el equilibrio ácido – base.
Sólo I
Sólo II
Sólo I y II
Sólo I, II y III
I, II, III y IV
14. En 1928 Frederick Griffith, bacteriólogo de salud pública, estudiaba la posibilidad de preparar
vacunas con unas bacterias, neumococos, que producen un tipo de neumonía. Griffith quería
saber si se podrían utilizar inyecciones de neumococos encapsulados virulentos muertos por
calor que no producen la enfermedad, para inmunizar contra la neumonía. Los resultados
fueron desconcertantes para Griffith, observe el esquema:
Al respecto, hoy se podría afirmar correctamente:
I. Las bacterias vivas no virulentas cedieron su DNA a las encapsuladas muertas y las
revivieron.
II. Las bacterias no virulentas habrían recibido su DNA de las bacterias encapsuladas
muertas y se hicieron virulentas.
III. Las bacterias no virulentas no poseen DNA.
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
I
II
III
I y II
II y III
19
15. El agua corresponde a uno de los compuestos más abundantes en la célula, cumpliendo en ella
diversas funciones que la hacen esencial en todos los seres vivos, porque:
I.
II.
III.
IV.
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Es un solvente polar.
Tiene bajo calor específico.
Actúa como solvente para muchas sales y moléculas orgánicas.
Impide los cambios bruscos de temperatura.
I y II
I y III
III y IV
I, III y IV
II, III y IV
Referencias Bibliográficas:
-
Alberts, B.M. et al.: Biología Molecular de la Célula. Tercera Edición. Ediciones Omega S.A.,
España, 1996.
-
Campbell, Neil A. et al. : Biología: Conceptos y relaciones. Tercera Edición. Pearson Educación,
México, 2001.
-
Curtis, Helena: Biología. Sexta Edición. Editorial Médica Interamericana, Argentina, 2000.
-
De Robertis y De Robertis: Fundamentos de Biología Celular y Molecular.
Editorial El Ateneo, Argentina, 1996.
-
Junqueira, L.C. y Carneiro, Y.: Biología Celular y Molecular.
Interamericana, Santiago, Chile, 1997.
-
Lehninger, A.L. Principles of Biochemistry, First printing. U.S.A.1982.
-
Murray, R.K. et al.: Bioquímica de Harper. Tercera Edición.
-
Solomon, E. Berg, L. Martin, D. Ville, Claude A. : Biología. 5ª Edición. M. Graw Hill
Interamericana. España, 2001.
DCIBM01
20
Tercera Edición.
Sexta Edición. M. Graw Hill