71 DE LA BIOLOGIA CELULAR - SILADIN Oriente

BIOLOGIA CELULAR.
EL OBJETIVO DE LA CATEDRA DE BIOLOGIA CELULAR
Esta materia que se estudia en el primer semestre de las carreras biológicas
representa un esfuerzo para actualizar a los alumnos en los conceptos básicos
de la vida.
Se hace necesaria porque los alumnos de nuevo ingreso necesitan de un
respaldo básico de conocimientos biológicos previos al estudio de las materias
básicas que serán estudiadas en semestres posteriores.
Esta materia nos servirá para responder muchas
preguntas relacionadas con la biología y todo lo
relacionado con los seres vivos.
Respondiendo a preguntas que explican muchos de
los fenómenos que observamos durante lo cotidiano de nuestras vidas, entre
estas las siguientes:
¿Como es posible que los insectos puedan caminar sobre el agua?
¿Porque las lagartijas son lentas cuando hace frió, y rápidas
cuando hace calor?
¿Porque flota el hielo en el agua?
¿Como puede una vaca producir 60 litros de
leche?
¿Como se absorbe una penicilina cuando es
tomada por vía oral?
¿Como producen su efecto antibacteriano los antibióticos?
¿Cómo o porqué mueren rápidamente los perritos que sufren de parvovirus?
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¿Como es posible que
un becerro aumente hasta
1,500 gramos de peso
por día?
¿Cual es la energía de
mantenimiento
y
cual es la energía de
producción en una
vaca lechera?
¿Porque se mueren los enfermos de
sida?
Finalmente podemos darnos cuenta que cualquiera que sea la función en los
seres vivos que deseemos estudiar esta representa una función celular.
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UNIDAD 1. EVOLUCIÓN DE LA CÉLULA
CONTENIDO:
TEORIA CELULAR Y EL CONCEPTO DE CÉLULA
El concepto de Biología Celular
El concepto de célula
Los postulados de la doctrina celular
DE LAS MOLECULAS A LA PRIMER CÉLULA
Las moléculas biológicas simples pueden formarse bajo condiciones prebióticas
y formar sistemas químicos complejos.
Los requisitos mínimos de las formas de vida son:
Poseer un límite entre el medio interno y externo
Coordinar reacciones químicas y almacenamiento y flujo de información génica
DE LOS PROCARIONTES A LOS EUCARIONTES
Las teorías sobre el origen de las células eucariontes: internalización por
invaginación de membrana, hipótesis del origen endosimbionte (Margulis) e
hipótesis del origen autógeno.
Características
semejanzas y diferencias entre las células eucariontes y
procariontes.
Situación de las células eucariontes y procariontes dentro de la clasificación
taxonómica de los seres vivos (según Whittaker).
DESARROLLO DE LA UNIDAD
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Algunos seres vivos solo están formados por una célula mientras que otros
están formados por billones de células. Sin embargo, de todos es conocido que
los organismos mas complejos empiezan su
existencia, como células simples: todo se inicia
con la fertilización del huevo (óvulo). La mayoría
de los organismos multicelulares, incluyendo al
hombre y a los animales domésticos, inician su
existencia con una célula fecundada, que se empieza a dividir para formar dos
células, y cada
nueva célula se divide una y otra vez, para formar tejidos
complejos, órganos y sistemas que estructuran a los organismos desarrollados.
Al igual que los tabiques o ladrillos que forma la estructura de un edificio,
asimismo, las células podrían considerarse los tabiques que forman el
organismo de los seres vivos.
Entonces la célula representa la unidad mas pequeña de material vivo, y que
tiene la capacidad de realizar todas las actividades necesarias que caracterizan
a los seres vivos. Podemos afirmar que es la estructura más pequeña y que
tiene la capacidad de realizar un metabolismo completo, debido a que posee
todos los componentes físicos y químicos necesarios para mantenerse y crecer.
Cuando a este elemento básico de vida (la célula) se le provee con todos los
nutrientes esenciales y con el medio ambiente adecuado, entonces se le puede
mantener vivo en condiciones de laboratorio por mucho tiempo, inclusive años
(muchos mas de los que un humano pueda vivir). Ninguna de las partes que
forman a la célula pueden sobrevivir por si solas, esto es un privilegio de la
célula completa.
Uno de los aspectos básicos generales de la célula lo es la teoría celular.
Históricamente los que la fundamentaron fueron dos biólogos alemanes durante
los años 1838 y 1839: Matias Schleiden y Teodoro Schwan, los cuales por
primera vez propusieron que todas las cosas vivas están formadas por células y
por productos de las células, y que la célula era entonces la unidad básica
estructural de los organismos vivos. Esta teoría celular fue enriquecida en 1855
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por Rudolf Virchow, porque fue el primero que afirmó que las células nuevas
solo existían como el producto de la división de células previamente existentes.
Es decir que las células no pueden nacer o generarse de manera espontánea. Y
en 1880 August Weissman hizo destacar que todas las células que al momento
existen provienen de células ancestrales.
La contribución histórica de los investigadores que se mencionan y de muchos
otros, estructuraron la lista de conceptos que fundamentan a la teoría celular
moderna:
1. Las células son las unidades básicas de la vida en la tierra. Hasta la fecha no
se han encontrado formas de vida diferentes, es decir que no estén formadas
por células.
2. Todos los organismos vivos están formados por células. Toda forma de vida
en la tierra está formada por una célula o por agregados de células.
3. Tomando como excepción al origen de la vida misma, todas las células se
originan en células que existían previamente. Las células solo se originan a
partir de la división de las mismas células vivas, nunca provienen de agregados
de partes de células o de productos químicos de células, es decir que: la vida
proviene de la vida misma.
Investigaciones más recientes sugieren añadir dos atributos más a la teoría
celular y que se puede aplicar a los organismos mas adelantados y que no son
atributos tan generales como los primeros tres ya mencionados:
4. Las células de los organismos multicelulares pueden estar interconectadas,
de esta manera se da lugar a poblaciones celulares que funcionan como unidad.
5. Las células de los animales multicelulares deben adherirse a superficies
sólidas, para dividirse, moverse y tomar formas especializadas y asimismo
realizar funciones esenciales o necesarias.
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La célula como la unidad básica estructural representa una estructura biológica
de funcionamiento eficiente y maravilloso, sin embargo el ¿como se originó?
representa una pregunta sin respuesta. Pero se han propuesto muchas teorías
para contestarla. Y cada teoría da su explicación en función de su perspectiva
particular, algunas se basan en escrituras de orden religioso, otras en hechos
científicos y asimismo otras buscan las respuestas en la investigación del mas
allá. También se ha intentado reconstruir las condiciones que se supone
existieron hace muchos millones de años en la tierra y que dieron origen a la
vida.
LAS DIFERENTES TEORIAS QUE EXPLICAN EL ORÍGEN DE LA VIDA
La complejidad de las 200 diferentes tipos de células altamente especializadas
que forman el organismo de los humanos y de los animales domésticos, obliga a
preguntar ¿De donde se originaron? Los científicos en sus diferentes tiempos
han generado muchas hipótesis, desde las más fantasiosas (Von Daniken) hasta
las más biológicamente asentadas. Entre estas podemos mencionar las
siguientes:
LA GENERACION ESPONTANEA
Durante los siglos XVII y XVIII, la Teoría de la Generación espontánea, era
muy popular y explicaba que la vida se generaba de manera espontánea a partir
de lo no vivo. Para esto había muchas evidencias: Los escarabajos y las avispas
de repente salían del estiércol de vaca. Los ratones en Egipto parecían salir por
arte de magia del lodo del Nilo. Existían recetas para fabricar abejas, y que
consistían en sacrificar y enterrar parado a un toro joven, con el fin de que sus
astas o cornamenta protegieran de la tierra. Después de un mes, un enjambre
de abejas debería de salir del cuerpo del toro. Incluso científicos de renombre de
la época, como Newton, Harvey y Descartes no ponían en duda esta teoría que
afirmaba que la vida espontáneamente se generaba en cualquier cúmulo de
suciedad.
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Pero hubo algunos que dudaron, a mediados del siglo XVII, Francesco Redi,
médico y poeta italiano realizó un experimento
sencillo y efectivo. En dos jarrones puso trozos de
carne, dejando uno abierto y el otro cubierto con un
simple pedazo de tela. Observando que las moscas
entraban
al
jarrón
abierto,
y
poco
después
aparecían las larvas y las nuevas moscas. Mientras
que en el jarrón cubierto con el pedazo de tela no
había moscas. De esta manera demostró que las
moscas nuevas provenían de las moscas viejas, mas no se generaban
espontáneamente en la carne en descomposición, como hasta la fecha se
pensaba. Poco después un naturalista ingles de nombre Jhon Needham,
demostró que los microorganismos florecían en varios caldos que se
encontraban expuestos libremente al aire. Y pocos años después Lazaro
Spallanzani, biólogo italiano, hirvió los caldos por una hora, sellando las bocas
de los frascos con calor. Y al observar el contenido de los caldos varios días
después, ningún microbio se hizo presente. Spallanzani concluyó que los
microorganismos de los caldos provenían del aire. El postulado de que la vida da
vida, es entonces cuando empieza a tomar forma. En el siglo siguiente (XVIII)
Pasteur llevó a cabo varios experimentos con sopa de hongos en diferentes
recipientes, desacreditando de esta manera una vez
mas la teoría de la generación espontánea.
Se pueden mencionar aunque brevemente las
intervenciones posteriores de diferentes científicos
que
colaboraron
en
la
fundamentación
del
conocimiento actual de la estructura y función de la
célula.
Jansen, H. (1590) Logra fabricar el primer microscopio compuesto. Con dos
lentes y un objetivo y un ocular.
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Hooke, R. (1665) Estudia y describe las células del corcho, que primero las
consideró como poros y después les dio el nombre de “células”, y continuó sus
estudios observando los “jugos” de las células.
Leewenhoock, (1675) que describe células de vida independiente, y el núcleo
de
glóbulos
rojos
en
especies
que
los
tienen.
Schleiden (1838) en plantas y Schwann (1839) en animales
proponen a la célula como una unidad funcional y estructural
de los seres vivos y que toda célula proviene de otra ya
existente.
Flemming (1880) describe la mitosis.
Waldeyer (1890) estudia la división de los cromosomas
Hertwing (1875) estudia la meiosis
Niescher (1871) descubre el ADN o “nucleína”
Mendel (1867) estudia las leyes fundamentales de la herencia
Watson y Crick (1953) descubren el modelo de la doble hélice del ADN
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Pauling (1954) descubre la alfa hélice.
Experimentos de Urey-Miller, 1955. En un frasco
con metano, amoniaco, agua e hidrógeno;
aplicando
choques
eléctricos
inducen
la
formación de aminoácidos y azucares.
Jacob-Monad (1965). Modelo del operón, primer modelo de regulación genética,
presentado en bacterias.
Halley-Marshall (1968). Código genético desarrollado en proteínas.
Proyecto Gamont. Se establece con el objetivo de determinar la composición y
metabolismo del metabolismo genético en humanos.
La lista es enorme y sale de los objetivos que este texto persigue. Pero es de
interés conocer otras teorías que tratan de darle una explicación al origen de la
vida.
LA VIDA VINO DEL ESPACIO
(LEER: THE CHARIOTS OF THE GODS x VON
DANIKEN)
La teoría de que la vida llegó a la tierra del espacio ha dado tema a muchos
cuentos de ciencia y ficción, incluyendo asimismo hipótesis científicas e inclusive
el diseño de algunos experimentos científicos. El fundamento que le otorga
cierto grado de seriedad a esta teoría lo es la llegada extraterrestre de algunos
objetos como son los asteroides, lo meteoritos, los cometas y el polvo
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interestelar con presencia de compuestos de tipo orgánico parecidos a los de la
vida terrestre. Estos son los mismos compuestos químicos que podrían haber
dado lugar a las primeras formas de vida. ¿Pero como puedo esto suceder?
Uno de los posibles escenarios que podrían explicar el como los compuestos
químicos provenientes del espacio extraterrestre podrían haber “plantado” la
vida en este planeta, proponiendo que el polvo proveniente de las nubes
interestelares formaron compuestos orgánicos complejos en los cometas.
Además de que el calor liberado por la explosión de las estrellas y que podría
haber derretido el hielo presente en los cometas, aportando así el agua
necesaria para formar una sopa química que finalmente daría lugar a la vida. Y
cuando algunos pedazos de estos cometas se estrellaron en la tierra, podrían
haber plantado la semilla de la vida en la tierra, o inclusive algunas formas de
vida.
Sin embargo la presencia de compuestos orgánicos en la materia extraterrestre
no necesariamente significa presencia de vida. El simple hecho de que estos
compuestos químicos se han encontrado en muchas rocas de origen no terrestre
y que inclusive se han fabricado en el laboratorio, simulando las condiciones del
espacio exterior, sugiere que solo representan el resultado de fenómenos
químicos comunes.
ANCESTROS COMUNES
Regresando a nuestra tierra, podemos observar que el parecido químico que
comparten muchos organismos diferentes es sorprendente. Todas las formas de
vida terrestre utilizan ácidos nucleicos como material genético, e inclusive
utilizan el mismo código genético para traducir los ácidos nucleicos en proteínas,
y asimismo también utilizan las mismas moléculas generadoras de energía.
Todos los organismos vivos utilizan los mismos 20 aminoácidos para fabricar
proteínas, a pesar de que químicamente se pueden fabricar muchas otras
variedades de aminoácidos. La plantilla química común que sirve de base a toda
la vida presente en la tierra, se ha utilizado como punto de partida por muchos
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científicos para postular que todas las formas de vida descienden de un ancestro
común. Si esto fuera así entonces ¿Que forma tendría el primer organismo que
se formó? ¿Como se originó a partir de las primeras moléculas que se
encontraban presentes en la tierra? ¿En que momento las sustancias químicas
que se agregaron para formar vida lograron la capacidad de replicarse, y
diferenciarse de la materia inanimada? Estas preguntas se pueden ampliar mas
adelante al leer las Recetas para iniciar Vida.
Las misiones del Voyager hacia Jupiter y Saturno han transmitido información
sobre los ambientes físicos y químicos que prevalecen en esos planetas
gigantes y asimismo de sus lunas. Si todos los planetas de nuestro sistema solar
se formaron en el mismo momento, entonces el conocimiento de las condiciones
que prevalecen en otros planetas nos pueden dar algunas pistas sobre las
condiciones prebióticas (anteriores a la existencia de vida) de la tierra. Los
químicos, los matemáticos y los científicos de la computación han diseñado
esquemas con los cuales se trata de explicar la formación de las posibles
reacciones químicas que dieron lugar a la vida. Los Paleontólogos (que estudian
la vida anterior) junto con los geólogos han puestos las raíces de estas
posibilidades dentro de la realidad con un cuadro del tiempo. Y además se ha
encontrado evidencia de vida microscópica existente hace 3,500 millones de
años, es decir mil millones de años mas o menos después de que se formó el
planeta tierra.
EVOLUCION QUIMICA
Después
nuestro
de
la
planeta
formación
(big
de
bang)
cualquiera que hayan sido los
eventos sucedidos durante los primeros 1,000 millones de años, esta
pavimentaron la llegada para el establecimiento de la gran diversidad de formas
de vida como la existente en la tierra a la fecha. Antes de que existiera la vida (o
inclusive moléculas que sugirieran la presencia de vida) debieron de sucederse
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algunos cambios químicos. En la primera fase de esta evolución química
prebiótica, debe de haber existido cierta forma de energía a la
mano para
provocar reacciones en pequeñas moléculas dando como resultado pequeños
monómeros orgánicos, como los que forman los polímeros de los organismos
vivos (coacervados). Estas primeras moléculas encaminadas a hacer vida
pudieron
haber sido los gases de
amoniaco
(NH3), el Hidrógeno (H2),
el metano
(CH4),
carbono
(CO2) y el vapor de agua
(H2O).
el
dióxido
de
La
energía necesaria para
la reacción
pudo haber sido la luz
del sol, los
relámpagos
volcanes.
o
los
En los experimentos de laboratorio (Urey-Miller, 1955) se ha
demostrado que es posible la formación de azucares por la conjugación del
formaldehído y que asimismo se pueden formar aminoácidos con sales del ácido
cianhídrico.
La segunda fase de la evolución química podría haber sido llamada el período
de la polimerización, en la cual los bloques químicos necesarios para dar lugar a
la vida, se empezaron a unir formando cadenas largas. La fase final y la menos
entendida de este preludio químico de la vida lo fue la transición de estos
polímeros de cadenas de monómeros formadas al azar, transformándose por
abiogénesis
en
moléculas
poseedoras
de
información
capaces
auto
reproducirse
de
(protobiontes).
considerables
precursores
Los
como
de
vida
candidatos
primeros
son
las
proteínas y los ácidos nucleicos. ¿Cual fue el primer polímero? Los que
proponen la teoría de la primera proteína o teoría Proteinoide hacer ver que, en
condiciones del laboratorio, ciertas combinaciones de aminoácidos, con otras
moléculas y con calor; da lugar a la formación de pequeñísimas esferas con
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algunas de las características de las células vivas. Los que respaldan la teoría
de los “primeros ácidos nucleicos” o hipótesis del Gene Desnudo mencionan
que el DNA es la única molécula que se puede replicar y que el DNA controla la
síntesis de proteínas, y no sucede de otra manera. También es posible que
simultáneamente se hayan formado ambos tipos de polímeros, probablemente
en el seno de los barros húmedos, porque estos se encontraban ricos en
bloques aptos para su construcción. La estructura mineral de las tejas de barro
acomodada en orden pudo haber servido de molde para un modelo de polímeros
como las proteínas y los ácidos nucleicos. Aquí cabría mencionar que tuvieron
oportunidad de formarse las esferas proteinoides, es decir moléculas
semejantes a las proteínas, formadas por agua, aminoácidos y arcilla ó sílice
No se sabe con certeza como se formó la primera comunión entre las proteínas
y los ácidos nucleicos, ya sea que una esfera proteinode halla sido englobada o
tragada por una trama de ácidos nucleicos, o
que un gene desnudo halla sido generoso y
donara un cubierta proteica. Sin embargo lo
que es importante es que este matrimonio se
llevó a cabo (Teoría Endosimbiótica) y de alguna manera esta protocélula
desarrolló una manera de fabricar y conjugar sus propios aminoácidos, y no
seguir dependiendo de reacciones químicas al azar realizadas por moléculas
prebióticas en el seno de su medio ambiente. Asimismo desarrolló una manera
de producir energía.
Todos estos pasos tan importantes en el desarrollo de la vida, no se sucedieron
de la noche a la mañana. Debieron de formarse una infinidad de combinaciones
de proteínas y de ácidos nucleicos de manera espontánea durante millones de
años. Y en el transcurso de tantos experimentos realizados al azar dentro de la
naturaleza, haciendo inevitable la persistencia y multiplicación de una verdadera
protocélula con capacidad de replicación. Y a medida que sus funciones
químicas se hacían más complejas llegaría el momento en que se transformaría
en lo que ahora conocemos como vida.
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En la teoría endosimbiótica propuesta por Lynn Margulis (1967) y otros, se basa
en el descubrimiento de fósiles con una antigüedad de 1,500 millones de años y
que dan evidencia clara de presencia de células grandes con un núcleo rodeado
por una membrana y a las cuales se les llamó células eucarióticas. En esta
teoría se menciona que es muy probable que el núcleo tenga su origen en una
célula procariótica relacionada con las células metanógenas, que carecían de
una envoltura nuclear. Este antecesor de las células eucarióticas (Urcarionte)
es probable que obtuviera su alimento por fagocitosis, es decir, englobaba las
partículas de alimento guardándolas en bolsas presentes en su membrana
plasmática. Es probable que estas invaginaciones de la membrana plasmática
empezaran a rodear y a proteger el DNA desnudo de la célula huésped. Este
mismo mecanismo probablemente también explicaría el como las células
eucarióticas obtuvieron sus mitocondrias, sus cloroplastos, sus flagelos y sus
núcleos. Estos elementos celulares se originaron como células bacterianas de
vida libre y que fueron engullidas por, o se unieron a un tipo celular de tipo
ancestral. En conjunto el huésped y los organismos que alberga formaron
comunas celulares, organismos solos en donde cada miembro se adaptaba al
arreglo del grupo y obtenía beneficios del mismo. El término endosimbiótico
significa “beneficio mutuo dentro de si”.
Por ejemplo las mitocondrias son muy similares en tamaño y forma a las
bacterias aeróbicas modernas y además es importante hacer notar que estos
organelos generadores de ATP poseen su propio DNA, que se replica de
manera independiente del material genético de la célula eucariótica. Los
cloroplastos también son similares en tamaño y forma con ciertos procarióticos
fotosintéticos, y al igual que las mitocondrias también poseen un DNA separado
y auto replicante. La inclusión de organelos fabricantes de energía fue
metabolicamente ventajoso para las células ancestrales que eran los
suficientemente grandes para albergarlos y asimismo ser tolerantes al oxígeno
(Figura 15.11).
DE LOS PROCARIONTES A LOS EUCARIONTES
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Todas las células, procarióticas y eucarióticas, contienen DNA. Todo el DNA
presente en una célula es conocido como el genoma. Y cada una de las
unidades que constituyen la herencia y que controlan la características únicas de
cada individuo son conocidos como genes.
Las que fueron consideradas como las primeras células verdaderas debieron de
ser muy simples, y para mantenerse vivos solo debieron tener los aparatos
biológicos mínimos. Los diferentes tipos de organismos vivos que existen en la
actualidad es muy probable que se
parezcan a las primeras células, estas
son las procariontes, nombre que se
derivó de la palabra griega Karyon que
significa
nuez
literalmente
o
bellota
significa
y
que
“antes
del
núcleo”. En los procariontes se incluye
a las bacterias y a las cianobacterias
(A las cianobacterias se les llamó primero algas azul-verdes, y con el nombre
nuevo se hace ver que están mas relacionadas con las bacterias). Los
procariontes son organismos de una célula, pero es posible encontrarlas en
grupos asociados formando colonias con ciertas diferenciaciones en cuanto a
sus funciones celulares.
Los eucariontes son organismos más complejos y pueden ser multicelulares o
existir en forma unitaria. La palabra eucarionte significa “núcleo verdadero”.
Una de las características principales que distingue a los eucariontes de los
procariontes, es la presencia de un núcleo bien
definido, separado del resto de la célula por medio
de una membrana. Se han acumulado una gran
masa de evidencias fósiles que indican que los
eucariontes evolucionaron de los procariontes hace
aproximadamente 1,500 millones de años, 2,000
millones de años después de que la vida apareciera
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por primera vez en la tierra. Entre ejemplos de eucariontes de una célula se
pueden mencionar a los hongos y a los paramecios; haciendo notar que todos
los organismos multicelulares; incluyendo a los animales y a las plantas; son
eucariontes. Como era de esperarse, las células eucarióticas son más complejas
y es usual que sean más grandes que las células procariontes. El diámetro de
una célula procariótica típica es de alrededor de 1 a 3 micrómetros, mientras que
el diámetro de una célula eucariótica típica es de 10 a 100 micrómetros. La
diferencia entre las células eucarióticas y procarióticas es tan básica, que en la
actualidad representa un punto clave para la clasificación de los organismos
vivos, y es mucho más importante que la diferencia que existe entre las plantas y
los animales.
La diferencia más importante entre las células procarióticas y las eucarióticas es
la existencia de organelos, especialmente el núcleo, en los eucariontes. Un
organelo es una parte de la célula que realiza una función especial., y que
además se encuentra rodeado por su propia membrana. Mientras que las
células procarióticas presentan una estructura muy simple, con organelos libres
y sin membrana que los delimite. Pero al igual que la célula eucariótica, la
procariótica también tiene una membrana celular, o membrana plasmática, que
la aísla del mundo exterior; y es la única membrana que se puede encontrar en
una célula procariótica. En ambos las procariontes y los eucariontes, la
membrana celular está formada por una doble
capa (bicapa) de moléculas de lípidos en donde
se encuentran embebidas una gran variedad de
proteínas.
Esta
membrana
tiene
una
permeabilidad selectiva que le permite
a la célula recibir solo las sustancias
que le son útiles.
Los
organelos
tienen
funciones
específicas. Las células eucarióticas
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típicas poseen un núcleo con una membrana nuclear. También es común
encontrar dentro de las células eucariontes a las mitocondrias (organelos
respiratorios) y a un sistema interno de membranas conocido como retículo
endoplásmico. En las mitocondrias eucarióticas se realizan reacciones de
oxidación, mientras que en las procarióticas se realizan las mismas reacciones,
pero a nivel de la membrana plasmática. Los ribosomas (partículas formadas
por RNA y por proteínas) son fábricas de proteínas presentes en todos los
organismos vivos, en las eucariontes se encuentran frecuentemente conjugadas
con el retículo endoplásmico. Los ribosomas en los procariontes se encuentran
libres en el citosol. En este momento se puede mencionar que existen
diferencias entre el citoplasma y citosol. Cuando nos referimos al citoplasma
este es la parte de la célula que se encuentra por fuera del núcleo, y el citosol
es la parte soluble de la célula que se encuentra por fuera de los organelos
limitados por su membrana. Los cloroplastos son organelos fotosintéticos
presentes en las células de las plantas y en los cuales toma lugar la fotosíntesis.
En las procaiontes que tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis, las
reacciones toman lugar en las estructuras laminares llamadas cromatóforos y
no se llevan a cabo en cloroplastos.
LAS CELULAS PROCARIOTICAS
A pesar de que en las procarióticas no se
puede observar un núcleo bien definido, el DNA
de la célula se encuentra concentrado en una
región a la cual se le llama región nuclear. Esta
parte de la célula es la que dirige las funciones
de la célula, al igual que el núcleo eucariótico. El DNA de los procariontes no
está conjugado con proteínas como el DNA de los eucariontes. En general, las
procariontes poseen solo una molécula enrollada de DNA. Este rollo o rodete de
DNA, que es el genoma, se halla unido a la membrana celular. Antes de que la
célula procariótica se valla a dividir, el DNA se repica dando lugar a dos rodetes
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de DNA conjugados a la membrana plasmática. Después la célula se dividida, y
cada una de las células hijas reciben un rodete de DNA copia del original.
El citosol de una célula procariótica (parte de la célula que se encuentra por
fuera de la región nuclear) es común que tenga una apariencia ligeramente
granular debido la presencia de ribosomas. Estos están formados por RNA y
proteína por lo que también se les llama partículas de ribonucleoproteina y
son el sitio de la síntesis de proteínas en todos los organismos. La presencia de
ribosomas es una característica del citosol de los procariontes. (Organelos
conjugados a una membrana, característicos de los eucariontes, no están
presentes en los procariontes).
Cada célula se encuentra separada del mundo exterior por una membrana
celular, también llamada membrana plasmática, formada por moléculas de
lípidos y de proteínas. Además de la membrana celular, y colocada por fuera de
esta la célula bacteriana procariótica posee una pared celular formada en su
mayor parte por un material polisacárido, característica que comparte con
algunas células vegetales eucarióticas. La naturaleza química de las paredes
celulares de las células procarióticas y eucarióticas presentan ciertas
diferencias, pero algo que les es común es que la polimerización de los azucares
produce una serie de polisacáridos presentes en ambas. Debido a que la pared
celular está formada por un material rígido, es muy probable que funcione como
un sistema de protección para la célula.
Las células procarióticas son muy importantes desde el punto de vista ecológico
producen oxígeno y reciclan el carbono, el nitrógeno y otros elementos.
Asimismo descomponen grandes cantidades de animales, hongos y plantas que
mueren, y también participan en la descomposición de los desechos animales,
de pesticidas y de contaminantes que podrían envenenar el ambiente.
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Desde el punto de vista médico las procariontes son muy importantes, tienen
dos puntos uno negativo y otro positivo. Por ejemplo: las bacterias producen
cientos de enfermedades, entre las que se incluyen las infecciones por
estafilococos y por estreptococos, el envenenamiento de la sangre, las
enfermedades venéreas, el tétanos y muchas
otras miles de enfermedades de plantas y
animales. Sin embargo algunas bacterias son
beneficiosas por ejemplo; la E. Coli y otras
que habitan en el tracto digestivo del hombre y
de
los
animales
domésticos
producen
vitaminas K y B12, riboflavina, biotina y otros factores que se absorben y se
utilizan. Algunas de las bacterias residentes, como la E. Coli que llega a tapizar
tan intensamente la pared del intestino, sirviendo de barreras contra bacterias
patógenas evitando que pasen a la sangre. Asimismo muchos animales
herbívoros (comedores de plantas) que incluyen al ganado bovino, a las ovejas
y a los conejos, serían incapaces de digerir los pastos y las hojas de las plantas
con las que se alimentan, sin la ayuda de las bacterias que digieren la celulosa
y que se encuentran presentes en grandes cantidades en el intestino. En la
industria se utilizan a las procariontes para la producción de alimentos
incluyendo quesos, yogures, salsa de soya y chocolate. Aunque también
producen reactivos químicos como el butanol, la fructosa y la lisina.
LAS CELULAS EUCARIOTICAS
Con el paso del tiempo se acumulan mas evidencias de que las células
eucariontes se derivaron de las procariontes, estudios en fósiles muestran la
evolución de los eucariontes a partir de las procariontes hace aproximadamente
1, 500 millones de años (1.5 X 199), como 2,000 millones de años después de
que la vida apareciera por primera vez en el planeta. Entre los ejemplos de las
primeras células eucariontes se mencionan las levaduras y los paramecios.
Las células eucariontes son mas complejas y por lo general mas grandes que
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las procariontes, el diámetro de las eucariontes llega a medir 10 a 100 m y las
procariontes de 1 a 3 m (1 a 3 X 10-6).
Ambos las plantas y animales multicelulares son eucarióticas, pero existen
diferencias obvias entre ellas. Estas diferencias se reflejan a nivel celular. Las
células de las plantas al igual que las bacterias, poseen paredes celulares. La
pared celular de las células vegetales está formada por la celulosa, polisacárido
que le da forma y estabilidad mecánica. También se observa la presencia de
cloroplastos en las células de las plantas verdes, y estos tienen una capacidad
fotosintética.
Las células de los animales no tienen paredes celulares ni cloroplastos. En la
figura
___ se pueden observar algunas de las diferencias importantes
observables entre las células vegetales, animales y procariontes.
ORGANELOS IMPORTANTES.
El núcleo que probablemente es el organelo mas
importante en las células eucariontes, en las que
por lo general solo existe uno (en los eritrocitos
de mamíferos no existe núcleo). Un núcleo típico
presenta
varias
características
estructurales
importantes.
Se
encuentra
delimitado por una membrana nuclear doble. Una de sus características más
prominentes lo es el nucleolo, rico en RNA. El RNA
de una célula (con
excepción de la pequeña cantidad producida en organelos como las
mitocondrias y los cloroplastos) es sintetizado en un molde de DNA en el
nucleolo para luego exportarlo al citoplasma por los poros de la membrana
nuclear. Finalmente este RNA es destinado a los ribosomas. En el núcleo
también es posible observar a la cromatina, esta se encuentra cerca de la
membrana nuclear y esta formada por un agregado de DNA y proteína. El
genoma eucariótico (el DNA total celular) se duplica antes de que realice la
división celular, al igual que en los procariotes. Ambas copias de DNA en los
eucariontes, que se distribuyen en las dos células hijas, se encuentran
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asociados con proteínas. En el momento que una célula se va a dividir. Las tiras
laxamente organizadas de cromatina se enrollan apretadamente y es entonces
cuando los cromosomas son observables con el microscopio electrónico o con
el de luz. Los genes, responsables de transmitir los rasgos hereditarios, son
parte del DNA presente en cada cromosoma.
Un organelo eucariótico que ocupa el segundo lugar
en importancia, son las mitocondrias, que al igual que
el núcleo, tienen una doble membrana. La membrana
exterior presenta una superficie relativamente lisa, pero la membrana interna
presenta muchos pliegues llamados cristae. El espacio presente en la
membrana interna es llamado la matriz. Los procesos oxidativas que se suceden
en la mitocondria producen energía para la célula. La mayoría de las enzimas
responsables de estas reacciones importantes se localizan en la membrana
interna de la membrana mitocondrial. Otras enzimas que también se requieren
para las reacciones de oxidación, así como un DNA diferente al del núcleo, se
localizan en la matriz mitocondrial interna. Las mitocondrias también poseen
ribosomas similares a los que se encuentran en la bacteria. Las mitocondrias
tienen un tamaño aproximado igual al de varias bacterias juntas, típicamente las
mitocondrias miden 1 micrómetro de diámetro y 2 a 8 micrómetros de longitud.
Existe la teoría de que se originaron a partir de bacterias aerobias que fueron
absorbidas por hospederos más grandes.
El retículo endoplásmico (RE) es parte de un sistema membranoso simple y
continuo, membrana que se dobla de regreso dando la apariencia de una
membrana doble cuando se
observa en el microscopio
electrónico.
El
encuentra
unido
membrana
celular
membrana
nuclear.
encuentra
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en
dos
RE
se
a
la
y
a
la
Se
le
formas:
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rugoso y liso. El retículo endoplásmico rugoso se encuentra tapizado con
ribosomas conjugados a la membrana. Los ribosomas (que también se pueden
encontrar libres en el citosol) son los sitios de síntesis proteica en todos los
organismos. El retículo endoplásmico liso no posee ribosomas unidos a su
membrana.
Los cloroplastos son organelos importantes que solo se encuentran en las
plantas verdes Tienen membranas dobles y son relativamente grandes, miden
hasta 2 micrómetros de diámetro y de 5 a 10 micrómetros de longitud. Su
aparato fotosintético se encuentra en estructuras especializadas llamados grana
(granum en singular), son cuerpos membranosos apilados dentro del cloroplasto.
Los grana son fácilmente observables con el
microscopio electrónico. Los
cloroplastos al igual que las mitocondrias contienen un DNA característico
diferente al que se encuentra en el núcleo. Los cloroplastos también contienen
ribosomas similares a los que se encuentran en las bacterias. Es posible que en
el inicio los cloroplastos fueran endosimbiontes.
OTROS ORGANELOS Y COMPONENTES CELULARES
Las membranas son estructuras importantes presentes en algunos organelos
que todavía no están bien estudiados. Entre estos se
encuentra el aparato de Golgi, que es un organelo
rodeado por una membrana simple y que está separado
del retículo endoplásmico y que con frecuencia se le
encuentra cerca del retículo endoplásmico liso. Es un
arreglo de vesículas o sacos aplanados. El aparato de
Golgi se encuentra involucrado con la secreción de
proteínas por la célula. Pero también se le encuentra presente en células en las
cuales su función primaria no es la secreción de proteínas. Además parece
también estar involucrado en el metabolismo de los azucares. En particular es el
sitio en la célula, en donde los azucares son conjugados con otros componentes
celulares, como las proteínas. La función de este organelo está por investigarse.
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Otros organelos de los eucariontes que son similares al aparato de Golgi,
porque están rodeados por membranas simples lisas y que muestras funciones
especializadas. Por ejemplo: los
lisosomas que son
sacos limitados por membranas
que
enzimas
considerablemente
capaces
de
dañar
a la célula, si no estuvieran
contienen
separadas de
los
lípidos, proteínas o ácidos nucleicos que podrían atacar. Dentro del lisosoma
estas enzimas desdoblan las moléculas blanco, las cuales es usual que
provengan de fuentes externas, como uno de los pasos en el camino de la
fabricación de nutrientes para la célula. Los peroxisomas son similares a los
lisosomas, su característica principal es que contienen enzimas que están
involucradas con el metabolismo del peróxido de hidrógeno (H 2O2), producto
tóxico. La enzima catalasa presente en los peroxisomas catalizan la conversión
del H2O2 a H2O y O2. Los glioxisomas solo se encuentran en las células
vegetales, contienen enzimas que catalizan el ciclo glioxilato, vía metabolica
que convierte a los lípidos a carbohidratos con el ácido glioxilico como
intermediario.
El citosol fue por mucho tiempo considerado nada
mas que un líquido viscoso, sin embargo estudios
recientes con microscopia electrónica han revelado
que esta parte de la célula presenta cierta
organización
interna;
en
encontramos
todo
que
lo
este
es
en
la
solución,
composició
bioquíimica de las células como carbohidratos, proteínas iones (Na+, K+, Ca+),
ácidos nucléicos, aminoácidos y lípidos; en el citosol las proteínas forman
soluciones coloidales y los demas componentes forman soluciones verdaderas.
Los organelos de
la célula se pueden
dividir
organelos
en
membranosos
membrana)
(que
y
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presentan
organelos
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una
no
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membranosos. Entre los membranosos se mencionan a las mitocondrias, al
aparato de Golgi, al Retículo endoplásmico, a los lisosomas y a los peroxisomas.
Entre los no membranosos se mencionan a los ribosomas, a los centriolos y al
citoesqueleto.
Los organelos se mantienen en su lugar por una trama de filamentos formados
aparentemente por proteínas. Esta trama microtrabecular o citoesqueleto se
encuentra conectado con todos los organelos. Este está formado por
microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios. Los microtúbulos están
formados por una proteína llamada tubulina, presente en cilios, flagelos y
centriolos. Es la que le confiere el movimiento. Los microfilamentos están
formados por dos proteínas diferentes, estas son la actina y la miosina, se
encuentran presentes en las fibras musculares y le confieren la función
contráctil. Este citoesqueleto le dan forma y movimiento a la célula, asimismo
mantiene a los organelos celulares en su lugar, es decir, los sostiene. El
citoesqueleto no es una estructura inmovil, presenta cambios continuos muy
dinámicos.
La membrana celular de los eucariontes sirve para separar a la célula del
mundo exterior. Esta formada por una doble capa de lípidos, con varios tipos de
proteínas embebidas en la matriz lípida.
Algunas de
las
proteínas transportan
sustancias específicas al travez de la
barrera de la membrana. El transporte
puede tomar lugar en ambas direcciones
con sustancias llevadas al interior que
pueden ser útiles a la célula y otras que
son exportadas al exterior de esta.
Las células vegetales pero no las células animales, presentan paredes celulares
externas a la membrana plasmática. La celulosa que estructura las paredes
celulares de las células de las plantas es uno de los componentes principales: la
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madera, el algodon, el lino y la mayor parte de los diferentes papeles que
conocemos son celulosa.
La membrana plasmática presenta algunas modificaciones, que le permitan
realizar funciones especializadas. Puede tener vellosidades, digitiformes.
Asimismo puede presentar estereocilios, parecidos a las microvellosidades pero
mas largos y en ocasiones ramificados.
Todas las modificaciones de la membrana celular se observan en la parte apical
de la célula, y no presentan movimiento propio.
Puede presentarse otra estructura, los cilios, son
de forma cilindrica y en su interior presentan un
aparato compuesto de proteínas llamado aparato
microtubular que es el que le da movimiento al
cilio. También pueden observarse los flagelos que
son parecidos a los cilios pero mucho mas
grandes. En las célulasa eucariontes solo los
espermatozoides presentan flagelos.
La forma de la membrana representa su función, a nivel molecular la matriz de
las membranas biológicas está formada por moléculas de características únicas:
los lípidos. En un ambiente acuoso los lípidos de manera espontánea forman
espacios circulares cerrados para separar pequeños volúmenes de líquido del
medio ambiente. Las propiedades físicas de los lípidos hace que las membranas
sean impermeables a la mayoría de las moléculas que se disuelven con facilidad
en agua. Otro de los componentes principales de las membranas biológicas es
la proteína. Las proteínas de membrana poseen estructuras únicas que les
permite interactuar con los lípidos y con el ambiente acuoso. Las proteínas de
membrana realizan muchas funciones. Una de estas es el transporte de solutos
al travez de la barrera lípida. Otra función lo es la comunicación entre célula y
célula. Todos los mensajes que van o que vienen de una célula y que no pueden
atravezar la barrera lípida deben ser transmitidos por medio de una proteína
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especifíca ya sea esta un receptor o una proteína de transporte. Otra de las
funciones de las proteínas de membrana es la de darle forma a las membranas y
a los organelos de la célula. La forma de las células esta definida por su
membrana y las diferentes formas de las diferentes células y organelos les
permite realizar funciones específicas. Uno de los temas mas comunes con este
respecto es que en aquellas membranas cuya función es la de transportar
moléculas de solutos, las membranas forma pliegues repetidos con el fin de
aumentar el area de la
membrana y así acomodar un mayor número de
proteínas de transporte.
Es posible asegurar que las membranas biológicas son los guardianes de la
vida, porque forman límites cerrados que rodean a las células, creando un
ambiente ordenado en el cual se lleva a cabo la mision codificada en el DNA.
Las membranas sirven de barrera para el movimiento al azar de las moléculas
polares. En la membrana celular se incluyen proteínas específicas que
intervienen en el transporte de las moléculas entre el citoplasma y el líquido
extracelular en una forma controlada. Este sistema de transporte permite que las
células mantengan un ambiente interno constante, asegurando las condiciones
óptimas para el mantenimiento de la vida. La membrana mantiene grandes
diferencias en cuanto a la concentración de muchos nutrientes y electrolitos.
Todas las membranas están
formadas
lípidos.
por
La
proteínas
proporción
proteína/lípido
y
de
varía
tremendamente
entre
las
células de los diferentes tejidos
Como
ya
se
mencionó
anteriormente, además de la
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membrana celular, o membrana plasmática, también los organelos intracelulares
se encuentran rodeados por membranas individualizadas que poseen las
mismas características generales que la membrana plasmática.
A simple vista o inclusive bajo el microscopio de luz, las membranas biológicas
se pueden comparar con el viento; es decir; son invisibles pero sabemos que se
encuentran presentes debido a los efectos que ejercen a sus alrededores. Las
membranas le dan forma a las células y a los organelos subcelulares, separando
a los compartimientos celulares. Bajo el microscopio electrónico las membranas
celulares se revelan como hojas densas de electrones, o como lineas que
rodean a las células y a los organelos intracelulares, visibles en ocasiones como
formados por tres capas por la simetria de sus planos.
En las células de las plantas también se
encuentra
presente
vacuolas
centrales
grandes, estos son sacos rodeados por
membranas simples. A pesar de que las
vacuolas también aparecen en las células
animales, las de las plantas son mas grandes y mas prominentes. Presentan
una tendencia a aumentar en número y tamaño a medida que la planta
envejece. Una función importante de las vacuolas es la de aislar sustancias de
desecho tóxicas para la planta y que la planta no puede secretar hacia el exterior
con la misma velocidad con que las produce. Estos productos de desechos
pueden ser no palatables e inclusive venenosos con la finalidad de ahuyentar a
los herbívoros (organismos comederos de plantas) para que no las ingieran, es
una forma de protección para la planta.
EL SISTEMA DE CLASIFICACION DE LOS CINCO REINOS
El esquema original de clasificación biológica establecido en el silo XVIII, dividió
a los organismos en dos reinos: plantas y animales. En este esquema las
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plantas son organismos que obtienen su alimento directamente del sol y los
animales son organismos que pueden movilizarse para buscar alimento. Se
descubrió que algunos organismos sobre todo las bacterias, no poseen una
relación obvia con estos dos reinos. También se hizo evidente que la división
fundametal de los seres vivos no es solo entre plantas y animales, pero también
entre procariontes y eucariontes. En el siglo XX se introdujeron sistemas de
clasificación que dividieron a los organismos vivos en mas de dos reinos
tradicionales. El mas aceptado fue el propuesto por Whitaker (1959). El sistema
de los cinco reinos toma en cuenta las diferencias entre los procariote y los
eucariotes y también nos provee una clasificación para los eucariontes que no
tienen características de plantas ni tampoco de animales.
Siguiendo la clasificación de Whitaker: el reino monera está formado solo por
organismos procarióticos. La bacterias y las cianobacterias son miembros de
este reino. Los otros cuatro reinos están formados por organismos eucarióticos.
El reino protista incluye a los organismos unicelulares como los hongos,
Euglena, Volvo, amoeba y Paramecium. Algunos protistas como los volvox,
forman colonias. Existiendo cierta discusion entre los biólogos preguntandose si
algunos organismos multicelulares podrían incluirse en este reino. La mayoría de
los biólogos no clasifican a los organismos multicelulares como protistas, pero la
discusion continuará. Los tres reinos que están formados en su mayor parte por
eucariontes multicelulares (con algunas eucariontes unicelulares) son los reinos
fugi, plantae y animalia. En los hongos se incluyen
a los hongos y a las
levaduras. Los hongos las plantas y los animales deben de haber evolucionado
a partir de ancestros eucariontes simples, pero el cambio evolucionario principal
fue el desarrollo de los eucariontes a partir de los procariontes.
¿EXISTEN FORMAS DE VIDA DIFERENTES DE LOS EUCARIONTES Y LOS
PROCARIONTES?
Existen grupos de organismos que se pueden clasificar como bacteris en base a
que carecende núcleos bien definidos, pero difieren de los eucariontes y
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procariontes en varias formas importantes. Estos organismos son llamados
Archaebacteria (primeras bacterias) para distinguirlas de las Eubacterias
(bacterias verdaderas) porque son organismos muy primitivos. La mayor parte
de las diferencias entre las archaebacterias y otros organismos son algunos
aspectos bioquímicos, tales como las estructuras moleculares de las paredes
celulares, las membranas y algunos tipos de RNA. Algunos biólogos prefieren la
clasificación de los tres dominios: Eubacteria, Archae (Archaebacteria) y
Eucharya (Eucariontes), prefierendo la anterior sobre la clasificación de los
cinco reinos. Esta preferencia se basa en la enfases que se hace sobre la
bioquímica usada como base para la clasificación.
Existen tres grupos de Archaebacteria: las metanógenas, las halófilas y las
termacidófilas. Estas todas viven en ambientes extremosos. Las metanógenas
son anaerobias estrictas que producen metano (CH4) a partir del dióxido de
carbono (CO2) y del hidrógeno (H2). La Halóphilas necesitan para su
crecimiento, concentraciones de sales muy elevadas como las que se
encuentran en el mar muerto. Las Termacidófilas para su crecimiento necesitan
de temperaturas y acidés elevadas, normal para ellas son 90ºC pH 2. Estas
necesidades de crecimiento pueden ser el resultado de adaptaciones a
condiciones adversas en la tierra primitiva. Pensamientos útiles para tomarse en
cuenta cuando se discute el origen de la vida.
BASES COMUNES A TODAS LAS CELULAS
La complejidad que se observa en las células eucariontes, da lugar a muchas
preguntas del como estas células se originaron de progenitores mas simples. En
las teorías mas conocidas, la simbiosis representa un argumento de gran peso
para la evolución de las eucariontes. La organización simbiótica entre dos
organismos, se considera como algo que da lugar a un organismo nuevo que
combina las características de los dos primeros. La simbiosis conocida como
mutualismo es una relación que beneficia las dos especies involucradas, esto
en oposición a la simbiosis parasitaria donde una especie es beneficiada
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mientras que otra sufre daño. Un ejemplo clásico de mutualismo (aunque en
ocasiones no se acepta) son los liquenes que están formados por hongos y
algas. Los hongos proveen el agua y la protección para las algas, mientras que
las algas son fotosintéticas y proveen de alimentos para ambos. Otro ejemplo es
el sistema nodular de las raíces formado por una planta leguminosa, como la
alfalfa, el frijol y las bacterias anaerobias fijadoras del nitrogeno. Las plantas
obtienen compuestos útiles de nitrógeno, mientras que las bacterias se protegen
del oxígeno que las daña. Otro ejemplo lo es la simbiosis mutualistica que es de
gran interés práctico, es la relación que existe entre los humanos y las bacterias,
entre estas la Escherichia coli que vive normalmente en el tracto intestinal. La
bacteria recibe nutrientes y protección del medio ambiente, y paga el favor
ayudando a los procesos digestivos, los cuales sin la presencia de las bacterias
darian lugar a la diarrea y a otros trastornos digestivos. Estas bacterias
intestinales también son fuente de vitaminas (complejo B) que nuestos
organismos no sintetizan.
Existen simbiosis hereditarias, en las cuales una célula hospedera grande
contiene una cantidad geneticamente determinada de organismos mas
pequeños. Ejemplo de estas es la protista Cyanophora paradoxa, hospedador
eucariótico
que
contiene
un
número
geneticamente
determinado
de
cianobacterias (algas azul-verdes). Relación que representa un ejemplo de
endosimbiosis, debido a que las cianobacerias se encuentran dentro del
organismo hospedador. Las cianobacterias son procariontes aeróbicos y son
capacez de llevar a cabo la fotosíntesis. La célula hospedadora aprovecha los
productos de la fotosíntesis, a cambio las cianobacterias son protegidas del
ambiente, y por lo pequeño de la célula hospedadora alcanzan a tener acceso al
oxígeno
y a la luz necesarios para la fotosíntesis. Este arreglo puede ser
considerado como un modelo para considerarlo como el origen de los
cloroplastos. En este modelo, con el paso de muchas generaciones es posible
que las cianobacterias pierdan su habilidad para existir de maner independiente
y podrían transformarse en organelos dentro de un tipo de célula nueva y mas
compleja. Este proceso pudo haver dado origen a los cloroplastos, que no son
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capaces de una vida independiente. Su DNA autónomo y su aparato ribosomal
sintetizador de proteínas ya no puede adapatarse a sus demandas, pero el
hecho de que estos organelos tengan su propio DNA y sean capaces de
sintetizar proteínas sugiere que pudieron haber existido como organismos
independientes.
Se puede proponer un modelo similar para el origen de las mitocondrias.
Imaginemos que una célula hospedadora grande y anaerobia asimila cierto
número de bacterias aeróbicas mas pequeñas. La célula mas grande protege a
las mas pequeñas y les provee de nutrientes. Al igual que el ejemplo utilizado
para el desarrollo de los cloroplastos, las células más pequeñas aun tienen
acceso al oxígeno. Y la célula mas grande no es capaz de realizar la oxidación
aeróbica de los nutrientes, pero algunos de sus productos finales de sus
oxidaciones anaeróbicas pueden sujetarse a procesos de oxidación por el
metabolismo aeróbico mas eficiente de las células mas pequeñas. Esto da como
resultado que la célula mas grande obtiene mas energía de una cantidad dada
de nutrientes de lo que podría obtener sin la presencia de las bacterias. Con el
tiempo los dos organismos asociados evolucionan para formar un nuevo
organismo aeróbico, que contien mitocondrias las cuales se derivaron de las
bacterias aeróbics originales.
El hecho de ambos las mitocondrias y los cloroplastos poseen su propio DNA,
diferente del DNA presente en el núcleo de la célula, es una determinante
importante que sirve como evidencia bioquímica importante que le da respaldo a
esta teoría. Además de que ambos las mitocondrias y los cloroplastos poseen su
propio aparato para la síntesis de RNA y de proteínas. El código genético de las
mitocondrias es diferente del que se encuentra en el núcleo, respaldando la
teoría de un origen independiente. En consecuencia la presencia vestigial de
estos sistemas capaces de sintetizar RNA y proteínas reflejan la existencia
previa de los organelos en vida libre. Puede ser razonable concluir que los
organismos unicelulares mas grandes que asimilaron bacterias aeróbicas
evolucionaron dando lugar a la transformación de estas bacterias en
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mitocondrias, y finalmente dieron lugar a los animales. Otros tipos de
organismos unicelulares asimilaron a ambos, es decir, a las bacterias aeróbicas
y a las cianobacterias evolucionando para dar lugar a las mitocondrias y a los
cloroplastos, para eventualmente dar lugar a las plantas verdes.
Estas
interacciones
entre
eucariontes
y
procariontes
no
están
bien
fundamentadas y dejan muchas lagunas, sin embargo nos proveen de un
escenario interesante que se puede utilizar como referencia para considerar las
reacciones que toman lugar en el seno de las células que conocemos.
Duchesneau, F. Cómo nació la teoría celular. Mundo científico 12:29 - 37
Peña, A. Como Funciona una Célula. Fisiología Celular, La Ciencia desde
México. Fondo de Cultura Económica. 1995
MOLECULAS DE LA MATERIA VIVA
Las principales moléculas de la materia viva
Los tipos de interacción fisicoquímica entre los átomos y las moléculas: fuerzas
de Van der Waals, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas.
Los enlaces químicos: enlace iónico, covalente simple y covalente coordinado.
Los principales grupos funcionales y sus derivados: alcohol, carbonilo (cetonas,
aldehidos, carboxilo) amina (amida), fosfato y tiol.
CONCEPTOS BASICOS DE QUIMICA
Podríamos resumir rápidamente que las moléculas de la materia viva son los
l´pidos, los glúcidos y las proteínas, pero esto no puede ser tan simplista.
Imaginemos que antes de entrar a clases nos damos una vacación en una playa
amigable solitaria y hermosa. Nos sentamos en la playa dejando que las olas del
mar nos acaricien los pies. Mirando los destellos de luz reflejados en el agua,
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escuchando el sonido único de las olas de tal manera que nos sentimos solos en
la playa y el mar.
Pero de hecho no estamos solos; porque además de que cargamos con
nuestros propios microbios en la piel y en nuestro intestino, esta playa
aparentemente desierta se encuentra llena de vida. Existe un gran número de
animales pequeñitos y de plantas microscópicas que viven en el agua y entre los
granos de arena. además de que existen otros animales más grandes como los
gusanos y los cangrejos que se encuentran también enterrados en la arena. Los
millares de componentes vivos y no vivos de este ambiente tienen en común dos
cosas básicas. Todos se encuentran formados por sustancias químicas y todos
estas sustancias se ajustan a una misma serie de reglas.
Sin embargo, los seres vivos y los no vivos se diferencian de dos maneras
importantes: El agua es un componente que puede coexistir o no con los seres
no vivos; el agua representa uno de los componentes más importantes de los
seres vivos. Y de la misma manera nos podemos dar cuenta que el carbono no
es un componente común en los objetos inanimados, en los seres vivos se
observa que los elementos químicos básicos que utilizan para estructurar sus
diferentes órganos y sistemas contienen carbono. Si investigas la composición
química de los seres vivos, y la comparas con la composición química de la
atmósfera, la corteza del globo terraqueo y del agua de mar; notarás una
diferencia en la distribución obvia de los elementos químicos que las forman.
Se hace necesario entonces estudiar las propiedades básicas de la
materia, con especial énfasis en el estudio del agua.
De lo anterior se desprenden dos conceptos importantes:
a) La Química de las cosas vivas y las no vivas se ajustan a las mismas reglas.
b) La química de la vida tiene dos características importantes:
1. Los seres vivos están formados en su mayor parte por agua
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2. Los elementos químicos grandes o macromoléculas que caracterizan a los
seres vivos, tienen estructuras que se basan en el "esqueleto" de carbóno.
LOS ELEMENTOS QUIMICOS Y LOS
ATOMOS
Los ELEMENTOS QUIMICOS son
sustancias que no se pueden desdoblar
utilizando
los
procesos
químicos
comunes, para transformarlos en otras
sustancias.
Cada
uno
de
los
109
elementos conocidos posee un paquete único de propiedades químicas, sin
embargo los seres vivos solo utilizan aproximadamente 20 de estos elementos.
Siendo notable mencionar que los elementos bioquímicos usados en la
estructura de los seres vivos por lo general no se les encuentra presentes en la
atmósfera o en la tierra. Sin embargo en los seres vivos encontramos aquellos
elementos que pertenecen a la atmósfera y a la tierra porque son compatibles
con la vida terraquea. El carbono representa uno de los elementos que se
encuentran en la tierra y en la atmosfera y que es compatible con la vida.
Es muy probable que estemos familiarizados con
sustancias con un alto contenido de carbono: entre
estos la gasolina, el aceite, el hollin y el carbón.
Pero el carbono "puro" solo existe en dos formas:
en la forma de diamante y de grafito. El grafito es
parte de la punta de los lapices, imaginemos que tomamos un pedazo de grafito
de un lapiz, y lo dividimos en pedazos cada vez mas pequeños hasta que
finalmente los separamos en sus átomos. Un ATOMO representa la unidad mas
pequeña de un elemento y que retiene todas las propiedades del elemento
original.
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Utilizando un acelerador nuclear capaz de generar fuerzas de una magnitud
incalculable, se pueden romper los átomos dando lugar a tres partículas
principales: los PROTONES, los NEUTRONES
y los ELECTRONES.
Imaginemos que un átomo es del tamaño de
un campo de futbol y que tiene una naranja
colocada en el centro del campo. La naranja
representaría el NUCLEO del átomo, en donde
se agrupan los protones con carga positiva y los neutrones sin carga . En
donde los pequeñisimos electrones con carga eléctrica negativa circulan
alrededor del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz. Se mueven tan
rápido que parece que ocupan toda la superficie del campo en el caso de que
los pudieramos ver.
Los electrones se mueven siguiendo órbitas o espacios llamados cascos de
electrones, y cada casco de cada electrón solo puede sostener a cierto número
de electrones. Debido a que los electrones tienen cargas negativas, son
impulsados hacia los protones con carga positiva presentes en el núcleo, y esta
atracción que sobre ellos se ejerce mantiene cohesionado al átomo. Un átomo
posee un número igual de electrones y de protones, y en consecuencia su carga
eléctrica neta es igual a cero.
El número de protones en un átomo determina las características del átomo
y da lugar al número atómico del elemento. Si consultamos la tabla periódica de
los elementos, se percibe que los elementos se encuentran acomodados de
acuerdo a su número atómico. De tal manera que el hidrógeno solo tiene un
protón y su número atómico es 1. Mientras que el carbono posee seis protones y
su número atómico es 6. La MASA ATOMICA de un elemento está dada por la
suma del número de protones y de neutrones. Los electrones son muy ligeros
motivo por el cual su masa no se toma en cuenta.
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Si tu fueras el núcleo de un átomo, tus electrones se encontrarian a 65
kilometros de distancia.
RECAPITULANDO
Los elementos químicos están compuestos por Átomos, estos son las
unidades mas pequeñas de un elemento y que retiene todas las propiedades de
los elementos. Un átomo está formado
por protones con carga positiva y
neutrones sin carga y que en conjunto
forman al núcleo, que se encuentra
rodeado por electrones con carga
negativa. El número atómico que se
usa para acomodar los elementos en la tabla periódica, es igual al número de
protones. La masa atómica es la suma del número de protones y de electrones.
LAS UNIONES ENTRE LOS ATOMOS
El número de electrones que orbitan al núcleo en un átomo influencian la
facilidad con la cual puede reaccionar con otros átomos. Cuando la órbita
externa de un átomo tiene un número estable de electrones, entonces su
capacidad de reaccionar con otros elementos es menor. Se observa que entre
los diferentes átomos; el número de órbitas de electrones es variable, pero en
cualquiera de los átomos la órbita más cercana al núcleo, puede sostener solo a
dos electrones. Mientras que la siguiente órbita, es decir, la segunda, solo puede
sostener a un máximo de ocho electrones. Las órbitas subsecuentes pueden
sostener a mas de ocho electrones, pero se mantienen estables con ocho. Un
átomo estable o quimicamente inerte no reacciona con otros elementos. Esto
explica el porque el gas helio se utiliza para inflar a los globos, es decir, si se
utilizara el hidrógeno, este es mas inestable y explosivo. Ambos el helio y el
hidrógeno poseen una órbita de electrones, pero, en el helio son solo dos
electrones los que la orbitan, mientran que en el hidrógeno solo existe un
electrón. Al igual que muchos otros átomos que no tienen la cantidad suficiente
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de electrones para estabilizar su órbita mas externa, el hidrógeno puede tomar
parte en las reacciones químicas o CONJUGARSE con otro átomo para lograr
establecer una órbita externa más estable.
Por esto es menester conocer los tres tipos importantes de uniones que se
producen entre los átomos dentro de la estructura de los seres vivos. Estas son:
las uniones covalentes, los puentes de hidrógeno y las iónicas.
1. Las UNIONES COVALENTES representan la conjugación entre dos átomos
que comparten un par de electrones, es decir, un electrón de cada átomo. De
esta manera cada uno de los átomos reaccionantes logran establecer una órbita
externa estable. por ejemplo dos átomos
de hidrógeno, con un electrón cada uno,
pueden compartir sus electrones, de
esta manera cada átomo tiene su
primera
órbita
electrones.
Un
ocupada
par
de
con
dos
átomos
de
hidrógeno forma una molécula de gas
hidrógeno usando una unión covalente.
Una MOLÉCULA es una unidad fabricada con dos o mas átomos conjugados
por uniones covalentes, logrando de esta manera orbitas externas con el número
de electrones necesario.
En una UNION DOBLE COVALENTE, cada uno de los átomos reaccionantes
contribuye con dos electrones, para dar lugar a dos pares de electrones
compartidos. Cada vez que nosotros respiramos impulsamos moléculas de
oxígeno hacia el interior de los pulmones, estas moléculas están formadas por
dos átomos de oxígeno conjugados por una unin doble covalente. Cada átomo
de oxígeno utiliza a su compañero con el fin de aportarle los electrones que le
faltan. De esta manera llenan sus órbitas externas con un total de ocho
electrones, logrando la estabilidad.
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Cuando dos tomos del mismo elemento se conjugan de manera covalente,
sus núcleos atraen de una manera igual a los pares de electrones que
comparten. De esta manera los electrones compartidos utilizan mas o menos
cantidades iguales de tiempo orbitando a
cada uno de los núcleos. Si los átomos son
de
elementos
diferentes,
uno
de
ellos
usualmente es mas ELECTRONEGATIVO,
esto quiere decir que su núcleo atrae
electrones con más fuerza que el núcleo del otro elemento. De esta manera los
electrones que se comparten más tiempo cerca de este átomo dandole una
carga parcialmente negativa. Y porque los electrones compartidos se encuentran
fuera de centro, entonces el otro átomo tiene una carga parcialmente positiva.
Esta unión covalente electricamente ladeada se dice que es POLAR.
El oxígeno y el nitrógeno son más electronegativos que el hidrógeno, de tal
manera que cuando el oxígeno o el nitrógeno se conjugan con el hidrógeno, la
union es polar. En el seno de la molécula conjugada, el oxígeno posee una
carga parcialmente negativa, mientras que el hidrógeno posee una carga
parcialmente positiva. Haciendo una comparaci¢n observamos que el carbono y
el hidrógeno son mas o menos electronegativamente iguales. Entonces la unión
carbono con hidrógeno es considerada como NO POLAR, en la cual la posición
promedio de los electrones compartidos se encuentra a medio camino entre los
dos núcleos atómicos, sin observar una diferencia de cargas eléctricas entre
ellos. Como es de suponerse las uniones covalentes polares y no polares son de
gran significado desde el punto de vista bioquímico.
2. LAS UNIONES IONICAS
Los iones representan partículas con carga eléctrica que se forman cuando un
átomo, o una molécula, pierde uno o mas de sus electrones más externos
donandolos a otro átomo. En este proceso se forma una UNION IONICA (es
decir una unión entre cargas eléctricas. Los átomos que pierden electrones
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con carga negativa terminan siendo iones con cargas netamente positivas,
mientras que los receptores de electrones se
transforman en iones
negativamente cargados.
Como resultado de este dar y tomar entre átomos, los iones que se forman
terminan con órbitas externas de electrones estables. Por ejemplo, un átomo de
sodio que posee tres órbitas de electrones con solo un electrón en su órbita mas
externa, da lugar a que, si este electrón se escapa. Entonces el ion de sodio
resultante tendrá una órbita externa de ocho electrones estable. Este ion de
sodio tiene 11 protones y 10 electrones para lograr una carga neta de +1. Por
comparación, vemos que un átomo de cloro posee siete electrones en su órbita
mas externa, y si toma del sodio un electrón, entonces tendrá una orbita externa
estable de ocho. La forma iónica del cloro es llamada ion cloruro; tiene 18
electrones pero solo 17 protones, dando lugar a una carga neta de -1. Los iones
con cargas opuestas como el sodio y el cloro, son atraidos el uno hacia el otro
formando cristales de cloruro de sodio, es decir sal común de mesa.
3. UNIONES DE HIDRÓGENO
Debido a que el hidrógeno tiene una carga parcial
positiva, los átomos de hidrógeno que en pares se
encuentran unidos a un átomo de oxígeno en una
molécula de agua, se encuentran atraídos a cualquier
tercer
átomo que posea una carga parcialmente
negativa. Esto da
lugar a la UNIÓN
DE HIDRÓGENO. Esta unión se puede
formar entre átomos de diferentes moléculas,
o entre átomos en diferentes partes de una
molécula
grande.
Es
especialmente
importante en la estructura del agua pero también las uniones de hidrógeno son
importantes en situaciones biológicamente vitales como la estabilización de las
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estructuras tridimensionales de moléculas biológicamente importantes como las
de DNA , RNA y de las proteínas. Los dos listones de DNA se mantienen unidas
por uniones de hidrógeno.
Aunque utilizamos el término unión para estas tres formas de interacción
entre átomos, las uniones son diferentes entre sí en cuanto a su fuerza. Las
uniones iónicas son mucho más fuertes que las uniones covalentes, y cuando
intervienen los electrones entonces las unión es dos o más veces más fuerte
que la unión de hidrógeno. Sin embargo a pesar que las uniones de hidrógeno
son simples y débiles, además de fácilmente rompibles. La incalculable cantidad
de iones hidrógeno que existen en un organismo vivo en conjunto ejercen una
fuerza que hace posible mantener la vida.
Los átomos se combinan formando uniones químicas. Un átomo es muy
estable y no puede combinarse cuando su órbita externa contiene un número
específico de electrones. Los átomos que tienen su órbita externa incompleta, se
pueden conjugar con otros átomos por medio de una de dos tipos de uniones
químicas. En la unión covalente, se realiza un intercambio de electrones entre
los átomos para lograr un número estable de electrones en sus orbitas externas.
Las uniones o puentes de hidrógeno se producen por atracciones eléctricas
débiles entre cargas parcialmente negativas y positivas de las moléculas, y no
involucran un intercambio y tampoco comparten electrones.
Se pueden mencionar las Fuerzas de Van der Waals y las fuerzas de
dispersion de London, que son interacciones de muy corto alcance que se
sucede entre los átomos y que ocurrren cuando los átomos se encuentran
acomodados muy apretadamente entre si.
LAS MOLÉCULAS Y LOS COMPUESTOS
A pesar de que algunas moléculas están formadas por átomos de un solo
elemento, como sucede en los gases de hidrógeno y de oxígeno, muchas
moléculas están formadas por átomos de diferentes elementos.
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Un COMPUESTO es una sustancia formada por átomos de dos o más
elementos diferentes, en proporciones específicas y siguiendo un patrón
específico de uniones. Una molécula de agua, formada por hidrógeno y oxígeno
representa entonces un compuesto. Las propiedades de un compuesto son
diferentes a las de los elementos que lo componen. Una molécula de un
compuesto es la unidad mas peque¤a que mantiene todas las propiedades del
compuesto. Podemos afirmar que los compuestos con uniones iónicas están
formadas por iones en lugar de moléculas.
Una FORMULA MOLECULAR
es una manera abreviada de
mostrar las clases y los números
de átomos presentes en una
molécula utilizando los símbolos
de los elementos. La fórmula del
cloruro de sodio, NaCl, nos dice
que la sal de mesa esta formada
por iones de sodio y iones de cloro en una proporción de 1:1. Y que cada
molécula tiene un átomo de sodio y un átomo de cloro. El agua con la fórmula
H2O el 2 subscrito nos dice que una molécula de agua tiene dos átomos de
hidrógeno y un átomo de oxígeno. Una molécula de gas oxígeno, O 2, también
llamado oxígeno molecular, tiene dos átomos de oxígeno.
Las FORMULAS ESTRUCTURALES toman más espacio que las fórmulas
moleculares pero nos muestran
el acomodo de los átomos y de
sus
uniones.
Asimismo
los
números y los tipos de átomos.
Por
ejemplo,
la
formula
estructural del agua H-O-H,
nos muestra que cada átomo
de hidrógeno se encuentra
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unido en forma separada a un átomo de oxígeno, las líneas entre los átomos nos
dicen que la unión es de tipo covalente. En el dióxido de carbono, cada uno de
los oxígenos se encuentra unido al átomo de carbono por medio de una unión
doble covalente, O=C=O. Cuando dos compuestos diferentes tienen la misma
fórmula molecular, solo la fórmula estructural será capaz de distinguirlas entre si.
Un compuesto está formado por átomos de dos ó mas elementos diferentes.
La molécula de un compuesto es la unidad mas pequeña que retiene las
propiedades del compuesto. Las moléculas pueden representarse por fórmulas
moleculares que nos indican los tipos y las proporciones de los diferentes
átomos que forman la molécula; y también por fórmulas estructurales que nos
muestran la localización de las uniones y los tipos de átomos que forman la
molécula.
MOVIMIENTO DE LAS MOLECULAS
Todas las moléculas se encuentran moviendose constantemente y al azar. Un
GAS tiene más espacio que un líquido o solido, y sus moléculas dispersas se
mueven libremente y con rapidez; ocasionalmente chocan unas con otras. En un
LÍQUIDO las moléculas se deslizan unas junto a las otras cambiando de lugar,
empujandose entre ellas de manera constante. En un SOLIDO, las moléculas
ocupan posiciones fijas, y cada una vibra en su lugar. Golpetean entre sí de
manera constante, como si fueran pasajeros en un transporte público repleto.
En cualquier sustancia, algunas moléculas se mueven de manera mas rápida
que otras. Mientras mas rápido se mueva una partícula, mayor será su
ENERGIA CINÉTICA, es decir, su energía de movimiento. De hecho la
TEMPERATURA representa una medida de la energía cinética promedio de las
moléculas; mientras mas rápido sea la velocidad promedio, mayor será la
temperatura. Cuando calentamos una sustancia aumentamos la energía de sus
moléculas, aumentando la velocidad promedio y asimismo su temperatura. Si le
damos calor a una sustancia sólida, como una barra de mantequilla, entonces
las moléculas se empezarán a mover tan rapidamente que el sólido se convierte
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en líquido. Inclusive las moléculas más rápidas alcanzarán la velocidad de
escape y cambiarán al estado gaseoso, hacia el aire. Cuando la mantequilla se
gasifica es entonces que la podemos oler.
La velocidad a la cual las moléculas se mueven y el tamaño de los espacios
entre cada una de las moléculas se encuentran relacionadas con la temperatura.
A temperaturas elevadas las moléculas son muy activas y se pueden escapar de
los líquidos para formar gases. A medida que la temperatura disminuye, las
moléculas se mueven con más lentitud y se juntan más las unas con las otras,
para que en un momento dado cambiar de una forma líquida a una forma sólida.
REACCIONES QUIMICAS
Cuando las moléculas chocan las unas con las otras, es usual que se
mantengan intactas, pero rebotan siguiendo una nueva trayectoria. Sin embargo,
si las moléculas con una gran energía interna, chocan de manera forzada en un
ángulo específico, pueden sufrir un cambio. La energía del impacto distorsiona
las órbitas de electrones, colocando a las moléculas en un estado de transición
de alta energía inestables. Enseguida puede suceder una de dos cosas: que las
moléculas se regresen a su estado original; o que los electrones se reacomoden
formando un juego de uniones
nuevas, dando como resultado sustancias
nuevas. A esto se le llama REACCION QUÍMICA. La energía que se necesita
para colocar a las moléculas al estado de transición es la ENERGÍA DE
ACTIVACIÓN. A las temperaturas normales de la tierra, la mayoría de las
moléculas no tienen la suficiente energía para llegar al estado de transición, de
tal manera que las pocas colisiones que se producen dan lugar a reacciones
espontáneas.
Las reacciones se pueden escribir como si fueran ecuaciones, ejemplo puede
ser la combustión del metano:
CH4
+
2O2
----------> CO2
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+
2H2O
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metano +
oxígeno
dióxido de + agua
carbono
REACCIONANTES
DAN
PRODUCTOS
Los REACCIONANTES, es decir los materiales con los que se inicia la
reacción, se muestran a la izquierda de la flecha, y los productos a la derecha.
Esta ecuación nos dice que dos moléculas de oxígeno se combinan con una de
metano, y que por cada molécula de dióxido de carbono que se produce también
se forman dos moléculas de agua. La flecha nos indica la dirección de la
reacción y se debe interpretar como si dijera que "se produce". Observese que la
ecuación se encuentra en equilibrio, es decir que los productos contienen a
todos los átomos de cada elemento de los reaccionantes, reacomodados en
moléculas diferentes. El número de las moléculas nos dice las proporciones de
los reaccionantes y de los productos.
Las flechas en una ecuación química pueden apuntar en ambas direcciones:
CO2
dióxido de
+
H2O
<------->
agua
reversible ácido
carbono
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H2CO3
carbónico
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Esto significa que la reacción es REVERSIBLE, es decir que puede ir hacia la
izquierda o hacia la derecha; hacia adelante o hacia atras, dependiendo de las
condiciones.
Las reacciones químicas reacomodan a los átomos, formando moléculas
nuevas. Estas reacciones suceden durante los choques entre las moléculas
reaccionantes y que al mismo tiempo llegan a generar la energía de activación
necesaria para formar un estado de transición, que puede o no dar lugar a la
formación de un producto nuevo.
LOS GRUPOS FUNCIONALES
Estos son átomos o grupos de átomos que al formar parte de una molécula o de
un compuesto le confiere ciertas propiedades. Se hace obvio que son mas
activos que una molécula, una gran cantidad de moléculas orgánicas poseen
uno o varios de los grupos funcionales. Cuando una cadena hidrocarbonada
tiene 2 o mas grupos funcionales se dice que es polifuncional. En la cual cada
grupo funcional tiene sus características propias.
GRUPOS FUNCIONALES
ALCOHOL
AMIDA
O
H
R - OH
R—C-----N
H
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AMINO o AMINA que tiende a unirse a un protón
R _ NH2
TIOL
-H
R---SH
R -----N----H
-H
ESTER
O
R—
CETONA
C—O----R
O
ETER
R-----C----R
R—O--R
ALDEHIDO
FOSFATO
O
O
R-----C-------C
R—
O—P--O
ACIDO
O
COOH
-> Carboxilo
O
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R—C
CO
-> Carbonilo
OH
EL ESTEREOISOMERISMO EN LAS MOLÉCULAS
Muchas biomoléculas muestran un tipo de isomerismo conocido como
ESTEREOISOMERISMO, es decir que al igual que los isómeros, los
estereoisomeros también poseen los mismos átomos unidos a los mismos
átomos, pero se diferencian en la manera en que están orientados en el espacio.
La estereoisomería esta relacionada con la misma manera en que nuestras
manos se relacionan la una con la otra. Podemos hacernos la pregunta de si
nuestras manos son idénticas? Cada mano tiene los mismos componentes y los
mismos puntos de unión. Sin embargo, las manos son diferentes la una de la
otra. A esta disposición le llamamos quiralidad, es decir son objetos quirales, la
palabra quiral viene del griego y significa “mano”. Cuando un par de moléculas
no se pueden sobreponer la una sobre la otra (enanciomero) a pesar de que
tienen la misma fórmula química; se dice entonces que son objetos quirales.
Son imagenes reflejadas la una sobre la otra. Cada molécula en un par es el
enanciomero de la otra. Cuando los enanciomeros desvian la luz a la derecha
se dice que son dextrógiros y si la desvian a la izquierda son levógiros.
En las moléculas de los compuestos también se pueden observar centros
quirales, que presentan las mismas características aquí mencionadas.
NIVELES DE ORGANIZACION DE LOS SERES VIVOS
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ELEMENTOS
C, H, O, N, S, P
IONES
K+, Na+, Cl-, Mg++, Ca++
RESIDUOS
Br, Mn, F, Al, I, Zn
PRECURSORES
H2O, CO2, NH3
INTERMEDIOS
Son mas complejos, se encuentra los precursores y los monómeros
Piruvato, citrato, monato, gluceraldehido
MONÓMEROS
Monosacáridos (Unidad estructural de los carbohidratos)
Aminoácidos (monómeros de las proteínas)
Acidos grasos
Glicerol
Nucleótido (monómeros de los ácidos nucléicos)
POLÍMEROS (MACROMOLECULAS)
Glúcidos (glucógeno)
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(no informativo)
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Lípidos
proteínas
(no informativo)
(informativas)
Acidos nucleicos
(informativas)
SUPRAMOLÉCULAS
Ribosomas, Complejos multienzimáticos
Membrana plasmática (unión de varios polímeros)
ORGANELOS COMPLEJOS
Aparato de Golgi, Retículo endoplásmico rugoso y liso, etc.
CELULAS
TEJIDOS
ORGANOS
SISTEMAS
ORGANISMO
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AGUA
La distribución del agua en los seres vivos
La estructura molecular del agua (polaridad molecular, formación de puentes de
H+)
Las propiedades fisicoquímicas del agua de mayor importancia biológica
(disolvente, capacidad calorífica, tension superficial y viscosidad) y su relación
con algunos aspectos clínicos (timpanismo, enfermedad de la membrana hialina
y alteraciones del hematocrito).
El efecto disociador del agua sobre electrolitos débiles y fuertes.
Concepto de pH.
Escala de pH y métodos de medición.
Importancia de la regulación del pH en el organismo.
LA DISTRIBUCION DEL AGUA EN LOS SERES VIVOS
Un organismo vivo tiene de 60% a 70% de agua, en los animales jovenes el
porcentaje de agua es mayor, hasta 80% y en prematuros hasta 83%. Los
animales obesos y los viejos o ambos presentan porcentajes de agua inferiores.
El agua presente en el interior de las células corresponde al 40% hasta el 50%,
mientras que en la parte extracelular la cantidad de agua llega hasta un 20%.
Dentro del agua extracelular se pueden encontrar compartimientos, entre estos
se puede mencionar el intravascular, que contiene del 4% al 5%, a esta también
le denominamos plasmática. El otro 15% restante se reparte en los
compartimientos siguientes:
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El intersticial, que representa al agua que baña a las células, ocupa el espacio
llamado intersticio.
El del Fondo Común Transcelular en el cual se comprenden algunos l.íquidos
orgánicos como el cefalorraquideo, el sinovial y el intestinal.
El tejido conjuntivo también posee agua, este tejido tiene funciones de sostén;
en el cual se mencionan a los huesos y a los cartílagos.
Una célula tiene agua en diferentes proporciones, en donde el 70% de agua
celular corresponde al peso total de la celula . Un 23% corresponde al agua de
las macromoléculas. Un 3% al agua de los carbohidratos o azucares. Un 2% a
los lípidos y 1% a los iones inorgánicos. Un 0,4% a los aminoácidos. 0,4% a los
nucleótidos (ATP) y 0.2% a otras moléculas presentes dentro de la célula.
LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA
Las células vivas realizan una serie continua de reacciones químicas, la
mayoría de las cuales se realizan en soluciones acuosas. Las características
propias del agua la hacen un ambiente adecuado para realizar estas reacciones.
El agua también nos provee de un ambiente externo que congenia en forma
adecuada con las células vivas. Los biólogos reconocen que la abundancia en
agua representa uno de los factores principales que hicieron posible la vida en la
tierra.
Las propiedades únicas del agua provienen de su estructura molecular en
donde un átomo de oxígeno se encuentra unido de manera covalente con dos
átomos de hidrógeno. La molécula del agua es polar y el oxígeno
electronegativo atrae los electrones que comparte con el hidrógeno, dándole al
oxígeno una carga negativa parcial y a cada uno de los hidrógenos una carga
parcialmente positiva. La polaridad del agua explica muchas de sus
propiedades. El oxígeno del agua con carga parcialmente negativa es atraído
hacia los hidrógenos parcialmente positivos de otras moléculas, incluyendo a
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otras moléculas de agua, de tal manera que las moléculas se unen entre ellas
mediante puentes de hidrógeno.
Se debe notar que cada molécula de agua solo puede formar un máximo de
cuatro uniones de hidrógeno, lo cual solo puede suceder cuando las moléculas
son frenadas por medio de las bajas temperaturas hasta el punto en que se
forma el hielo. De otra manera estos puentes de hidrógeno son débiles, y se
están constantemente rompiendo y formando de manera rápida cuando las
moléculas chocan entre sí cuando se encuentran en forma líquida, o sea agua.
Esta habilidad del agua para formar y deshacer los puentes de hidrógeno le
concede al agua varias propiedades (coligativas, unidas ó juntas) muy
importantes para la vida. De estas mencionaremos siete:
1. EL AGUA ES COHESIVA Y ADHESIVA
La COHESION sucede cuando dos sustancias parecidas se mantienen juntas,
mientras que la ADHESION es la conjugación de varias sustancias. Por la
cohesión se puede explicar el porqué se puede llenar un vaso de agua hasta el
borde sin derramarse; y también explica el porqué algunos insectos acuáticos,
como el mosquito patinador, pueden deslizarse sobre la superficie del agua en
los charcos y lagunas. Estas maromas son posibles porque el agua posee una
TENSION DE SUPERFICIE, que resulta de la cohesión de las moléculas de
agua, que se atraen entre sí con más fuerza, siendo esta atracción más fuerte
que la del aire o que las patas del insecto. Las fuerzas adhesivas y cohesivas
explican la acción capilar del agua cuando se eleva en tubos muy delgados,
acción mu importante para transportar el agua por los tallos de las plantas hacia
las hojas. Estas mismas propiedades podrían definirse como viscosidad, puesto
que a mayor temperatura la adhesión y cohesión (viscosidad) disminuye y
viceversa.
De hecho la tension seperficial puede definirse como la resistencia de un líquido
para ser penetrado, y esta resistencia varía de acuerdo a
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los solutos
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introducidos en los líquidos. Estos solutos pueden ser sustancias tenso activas
(porque modifican la tensión superficial), que pueden ser batótonas o
hipsótonas. Las batótonas disminuyen la tensión superficial (jabón, petróleo,
gasolina); mientras que las hipsótonas aumentan la tensión superficial (iones)
2. EL AGUA POSEE UN CALOR ESPECIFICO ELEVADO
Esto quiere decir que se necesita una gran cantidad de calor para aumentar la
temperatura del agua. Propiedad que le permite a un volumen de agua
calentarse y enfriarse con más lentitud que el de su medio ambiente. Para los
seres acuáticos esto significa que los cambios de temperatura en su medio
ambiente sean graduales.
3. EL AGUA POSEE UNA ELEVADA CONDUCTIVIDAD TERMICA
Cuando se aplica calor en una parte de un volumen de agua, se disipa
rápidamente por el resto del agua. Los seres vivos se encuentran formados en
su mayor parte por agua, y la elevada conductividad térmica como propiedad
permite que el calor sea transportado de manera uniforme en el organismo de un
ser vivo previniendo la formación destructiva de focos calientes.
4. EL AGUA POSEE UN PUNTO DE EBULLICION ALTO
Se necesita una gran cantidad de energía calorífica para romper todas las
uniones de hidrogeno que existen entre las moléculas de agua y de esta manera
transformar el agua en gas, situación en la cual las moléculas de agua están
separadas. Las temperaturas en la superficie de la tierra pueden llegar hasta el
punto de ebullición del agua, es decir 100ºC, en las chimeneas de los volcanes y
en las aguas termales, esto quiere decir que sería raro que los organismos vivos
sufran la ebullición.
5. EL AGUA ES UN EXCELENTE ENFRIADOR POR EVAPORACIÓN
Como ya se mencionó, se necesita de una gran cantidad de calor para
transformar las moléculas de agua líquida en vapor de agua. Aquellas que
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alcanzan la velocidad de escape y abandonan el cuerpo del ser vivo, se llevan
consigo el calor que absorbieron. La sudoración en los humanos y el jadeo en
los perros acalorados o febriles; son los medios que utilizan para enfriarse por
evaporación.
Se necesitan mas de 500 calorías para cambiar un gramo de agua líquida en un
gramo de vapor de agua.
6. EL AGUA TIENE UN PUNTO DE CONGELACIÓN MUY ALTO Y ES MENOS
DENSO CUANDO ES UN SÓLIDO QUE CUANDO ES LÍQUIDO
A medida que el agua caliente se enfría, se contrae y se hace mas densa. Sin
embargo a diferencia de muchas sustancias el agua es muy especial, porque es
mas densa y en consecuencia más pesada a una temperatura de 4ºC cuando
todavía se encuentra en forma líquida. A medida que el agua se vá enfriando de
4ºC hasta 0ºC, se empieza a hinchar otra vez, y se vuelve menos densa a
medida que las moléculas de agua se van transformando en cristales de hielo.
El hielo representa un acomodo regular, y cada una de las moléculas se halla
unida a otra molécula por puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas.
Entonces es posible adivinar, que el hielo es menos denso que el agua líquida
porque sus moléculas se encuentran empacadas con menor densidad. Lo que
quiere decir que un cristal de hielo es más grande que el volumen de agua que
sustituye, por lo cual el hielo flota en el agua. La baja densidad del hielo
representa una ventaja para los organismos acuáticos: porque en el invierno la
capas de hielo forman una cobija aislante entre el agua que se encuentra por
debajo del hielo y el aire más frío que se encuentra por arriba. Esta cobija frena
la formación de más hielo en el resto del agua y permite a los organismos
invernar sin llegar al punto de congelación. En la primavera el sol derrite
directamente al hielo haciéndolo agua otra vez..
Debido a que el agua se expande cuando se congela, si se forma hielo dentro
de un organismo es muy probable que destruya la delicada estructura interna
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que los forma provocándoles la muerte. Algunos organismos presentan formas
de adaptación que les permite evitar la congelación, los peces tienen en su
sangre anticongelantes naturales como el glicerol. Otros seres tiene tejidos muy
resistentes que no sufren daño por la formación de cristales de hielo. Lo seres
que tienen estos sistemas de adaptación, tienen que completar sus ciclos de
vida durante las estaciones templadas, de otra modo morirían por la helada,
como el jitomate y las ranas.
7. EL AGUA ES UN SOLVENTE EXCELENTE
Cuando una sustancia se disuelve, sus moléculas y sus iones de manera
individual se separan una de la otra y se mezclan con las moléculas del
solvente, en este caso el agua. Las cargas eléctricas parciales de las moléculas
polares del agua se ven atraídas hacia los iones cargados y hacia las moléculas
polares con cargas parciales, de tal manera que el agua rápidamente rodea y
disuelve a estos solutos.
Las moléculas no polares, como aquellas en que su mayor parte están
hechas de carbono y de hidrógeno, no se disuelven en el agua porque carecen
de la carga eléctrica necesaria para interactuar con las moléculas de agua.
Mientras que el agua y sus solutos forman una pandilla de moléculas amistosas
todas conectadas por muchas atracciones eléctricas, las moléculas no polares,
poco amigables son rebotadas hacia un lado. Formando grupos, no porque se
atraigan mutuamente, ya que no siguen una ley definida. Se mantienen unidas
porque todas son expulsadas de la masa polar de agua. De tal manera que en
lugar de disolverse en el agua, las moléculas no polares forman INTERFASES
con ella. Como la interfase que observamos en los aderezos de las ensaladas
observables entre el agua y el aceite no polar. Una interfase parecida representa
la base de las membranas de las células. En consecuencia, la incapacidad del
agua para disolver sustancias no polares también es algo necesario para la vida.
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Existen solutos antipáticos ó anfifílicos, estos son aquellos en los cuales la
porción polar establece puentes de hidrógeno con el agua, mientras que en los
hidrófobos no hay solubilidad.
El agua es la molécula más importante para todos los organismos vivos. Su
estructura le permite expresar varias propiedades importantes para la vida: 1)
Absorbe calor y lo dispersa por todo el organismo. 2) Transporta el calor corporal
perdiéndolo por evaporación. 3) Es mas denso como líquido que como sólido. 4)
Disuelve sustancias polares y no polares. 5) Forma interfases con moléculas no
polares.
TIMPANISMO
Esta enfermedad afecta a los rumiantes, es decir a los animales de estómago
compuesto como las vacas, cabras y borregos. Los cuales poseen cuatro
estómagos, el mas grande; el rúmen; funciona como una cámara de
fermentación, en la cual las bacterias celulolíticas descomponen la celulosa de la
dieta de estos animales. Durante este proceso se producen una gran cantidad
de gases que el animal de manera continua
elimina, constantemente está
eructando. Pero cuando come alguna sustancia hipsótona, entonces la tensión
superficial del contenido ruminal aumenta. Los gases producidos por las
bacterias burbujean entre los líquidos ruminales, y se forma una espuma muy
cohesiva que impide la eructación de los gases, como consecuencia aumenta la
presión ruminal, y esta puede ser tan grande que puede causarle asfixia al
impedir el funcionamiento de los pulmones. Se recurre a la trocarización, es
decir abrir una vía de salida inmediata de los gases y la espuma, para liberar la
presión y salvar la vida del animal. Esta maniobra se realiza en la fosa
paralumbar izquierda “apuñalando“ al animal con el objeto de dar salida rápida a
los gases.
ENFERMEDAD DE LA MEMBRANA HIALINA
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También conocida como Síndrome de Insuficiencia Respiratoria Idiopática
(SIRI). Esta enfermedad se relaciona con el estado prematuro de los niños al
nacer, y el efecto principal se relaciona con la falta de maduración del sistema
productor del surfactante alveolar, Cuando el surfactante alveolar (isolecitil
lecitina) no se encuentra presente entonces los alvéolos tienden a colapsarse y
a no abrirse durante los eventos mecánicos de la respiración, multiplicando el
esfuerzo necesario para expandir los espacios aéreos distales con cada
respiración. Esto provoca un estado deficiente en la ventilación y atelectasia
(falta de extensión o dilatación, colapso del pulmón). En el pulmón se produce
un exudado proteico de origen sanguíneo, en el que predomina la fibrina, que
sumándose con los desechos celulares y los sobrantes de los tejidos necróticos;
conjunto que se deposita en la parte terminal de los espacios aéreos para formar
las membranas hialinas.
Se detecta cuando los niños al nacer respiran rápido y con un cierto gruñido
intermitente, con falta de oxigenación y colapso circulatorio. Los niños se
encuentran amoratados. El tratamiento consiste en la administración de Oxígeno
en cantidades suficientes pero no excesivas. Un exceso de oxígeno en esta
edad puede afectar el proceso de formación final de la retina del recien nacido.
ALTERACIONES DEL HEMATOCRITO
El hematocrito es el nombre que se le da al medio por el cual se calcula el
volumen plasmático y el volumen concentrado de eritrocitos. Cuando a una
muestra sanguínea se le añade un anticoagulante y se centrifuga, la muestra se
separa en capas de acuerdo a la gravedad específica. El plasma queda en la
parte superior y los glóbulos rojos en la parte inferior, entre ambos separándolos
se acomodan las plaquetas formando una capa delgada. Con este método se
obtienen valores como el de la gravedad específica del plasma. Cualquier
disminución del volumen sanguíneo, de las proteínas plasmáticas o del número
de glóbulos rojos, producirá cambios que se reflejaran en el valor del
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hematocrito. Las alteraciones en el hematocrito pueden ser causados por
parasitosis intensa, por fallas nutritivas
LA DISOCIACIÓN Y LA ESCALA DEL pH
Muchas sustancias se separan, es decir, se DISOCIAN (ionizan), liberando
iones cuando se disuelven en el agua. Algunos compuestos se disocian
completamente, mientras que otros solo en forma parcial, de tal manera que
algunas de las moléculas del compuesto permanecen intactas. Mientras que
otras moléculas se disocian. El agua misma se disocia en forma parcial, por lo
general en iones hidrógeno (H+) y en iones hidroxilo (OH-):
Que en forma de ecuación aparecería como sigue:
H2 O <--------------------->
agua
H+
en forma reversible cede
+
iones
OHiones
hidrógeno hidroxilo
Debido a que las moléculas de agua acarrean cargas parcialmente negativas
y cargas parcialmente positivas, pueden participar en la disociación formando
órbitas alrededor de los iones. Las órbitas acuosas protegen a los iones de la
atracción de iones con carga opuesta presentes en la solución y les permite
moverse de manera independiente.
En 1923 Bronsted (Danés) y Lowry (Inglés) de manera independiente
propusieron
que
no
hay protones libres; a
medida que los iones
hidrógeno
donados
molécula,
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eran
por
una
asimismo
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eran aceptados por otra
Las sustancias se clasifican de acuerdo a las partículas que ceden cuando se
disocian en el agua. Un ÁCIDO libera ó dona H+ cuando se disocia en el agua.
Por ejemplo: cuando el gas cloruro de hidrógeno (HCl) se disuelve en el agua y
forma ácido clorhídrico, cede iones hidrógeno (H+) y iones cloro (Cl-) en la
solución.
Una BASE es una sustancia que libera ya sea iones hidroxilo (OH -) en el
agua, o que acepta H+. La base conocida como hidróxido de sodio (NaOH) que
se utiliza como destapa caños, se disocia cediendo iones de sodio (Na +) y
hidroxilos (OH-) a la solución.
OBSERVE QUE EL AGUA PUEDE SER
ACIDO O BASE
Una SAL es una sustancia en la cual el H+ de
un ácido ha sido reemplazado por otro ion positivo. Una sal se disocia en iones
con carga opuesta, de tal modo que cuando el cloruro de sodio (NaCl) se
separa, libera los iones de sodio (Na+) y de cloro (Cl-).
Se dice que la ACIDES o la ALCALINIDAD de una solución esta dada por su
pH, símbolo que indica la cantidad de H+ libres en la solución. El pH en frances
quiere decir “pouvoir hydrogéne” que significa el "poder del hidrógeno" y que nos
refleja el número de iones hidrógeno y hidroxilo presentes en una sustancia. La
escala del pH tiene rangos que van del 0 al 14, y un pH de 7 se considera como
neutral, es decir no es ni ácido ni base. El agua pura es neutral porque cuando
se disocia produce números iguales de iones H+ y OH-. Un pH que se encuentra
por debajo de 7 se considera como ácido, y aquel mayor de 7 es alcalino.
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Los números en la escala del pH provienen de los exponentes de las
concentraciones de ión hidrógeno en la solución. Por ejemplo, una solución con
10-5 moles de iones hidrógeno por litro tiene un pH de 5, una solución con 10 -6
moles de iones hidrógeno en solución tiene un pH de 6, y así sucesivamente. Es
importante comprender que esta es una escala logarítmica y no es aritmética.
Entonces una solución con un pH de 5 es diez veces mas ácida que una
solución que tiene un pH de 6, y es 100 veces mas ácida que una solución con
un pH de 7. Otra onda de la escala del pH consiste en entender que los valores
bajos de pH significan mayor acides. Traten de memorizar este concepto hasta
que el concepto se vuelva natural.
La mayoría de las reacciones en los organismos vivos ocurren con rapides a
un pH cercano al punto neutral. En los seres humanos y en los animales
domésticos, el pH de la sangre y de la mayoría de sus líquidos internos es de
aproximadamente 7.4. Con la notable excepción de que el contenido del
estómago durante la digestión de un alimento, cuando el estómago está
secretando ácido clorhídrico, tiene un pH de 1 ó menor. La precipitación o lluvia
ácida representa un problema ambiental que está desequilibrando la vida de los
bosques, de los lagos de agua dulce, de las lagunas y de los ríos. De tal manera
que puede llegar a matar las salamandras, las ranas y las aves.
Si añadimos unas gotas de ácido o de base a un volumen pequeño de agua,
su pH cambia rápidamente, y se mantiene estable hasta que se añada otra vez
un exceso de ácido o de base. La sangre y otros fluidos corporales contienen
sustancias BUFFER (tampones, amortiguadoras) que son mezclas de sales
que ayudan a mantener un pH constante absorbiendo o liberando H + ó OHcomo sea necesario. Uno de los buffer mas importantes en muchos líquidos
corporales es el ion bicarbonato, HCO3-. El cual en las reacciones orgánicas
absorbe los excesos de H+ o de OH-, y se representa como sigue:
H+ + HCO3- <------> H2CO3 <---> H2O + CO2
Ó TAMBIEN
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OH-
+
HCO3- <---------->
CO2- + H2O
En cada caso, el Ion bicarbonato retira el ión que se añade a la solución
impidiendo que cambie el pH. Las dos ecuaciones anteriores son reversibles
siempre y cuando se encuentren presentes el H+ y el OH- para reestablecer
cualquier déficit en el caso de que otra reacción sustraiga H+ ó OH-.
La primera ecuación nos muestra que ácido carbónico formado a partir de los
iones bicarbonato e hidrógeno se pueden desdoblar para dar agua y dióxido de
carbono. En el organismo es usual que se piense que el dióxido de carbono es
algo que exhalamos o expulsamos en la respiración, pero con lo anterior nos
damos cuenta que es un actor importante como buffer en la sangre.
Muchas de las reacciones químicas del cuerpo producen ácidos o bases,
pero los buffer como los bicarbonatos y el dióxido de carbono impiden que el pH
cambie. Los buffer son de importancia vital porque todas las reacciones del
organismo vivo se realizan mejor a valores específicos de pH. En parte porque
las enzimas que son moléculas importantes que facilitan las reacciones químicas
en los organismos vivos, trabajan mejor dentro de un rango muy estrecho de
pH.
Muchas sustancias se disocian en iones cuando se les coloca en agua, y
algunas moléculas de agua también se disocian en H+ y OH-. El pH de una
solución es una expresión de la medida de la concentración de iones hidrógeno
que contiene. Las soluciones ácidas contienen una concentración elevada de
iones hidrógeno cuando el pH es menor que 7, mientras que las bases tienen
concentraciones bajas del Ion hidrógeno y sus valores de pH se encuentran por
encima de 7. Los buffer o amortiguadores se encargan de mantener el pH
constante, absorbiendo o liberando iones hidrógeno o hidroxilos.
ALTERACIONES DEL pH
ACIDOSIS:
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Respiratoria:
Metabólica:
ALCALOSIS:
Respiratoria:
Metabolismo:
Cualquier cambio de la presion arterial de Co2 (PCO2) en la sangre afecta la
cantidad de ácido carbónico presente en la misma, produciendo cambios del pH
en dirección opuesta. Los niveles de bicarbonato cambian muy poco cuando
existen cambios agudos de PCO2; pero cuando los cambios en el PCO2 se
mantienen por 3 a 5 días, se produce una compensación renal que aumentan los
niveles de bicarbonato plasmático en aquellos pacientes que sufren de
hipercapnia (cantidad excesiva de CO2 en la sangre) disminuyendolo en los
pacientes que tienen hipocapcania, estos cambios, ambos, tratan de
restablecer los niveles normales de pH. Los cambios plasmáticos de bicarbonato
se acompañan de cambios reciprocos en los valores de cloruro, en la misma
magnitud. De tal manera que un paciente con de una hipercapnia crónica
totalmente compensada (PCO2 arterial de 60 mm Hg), se espera que presente
niveles plasmáticos de bicarbonato de 40 mEq/L, coexistiendo con una alcalosis
no respiratoria (metabólica), situación que debe ser diagnosticada de inmediato.
Por otro lado si el bicarbonato solo es de 20 mEq/L, el diagnóstico deberá ser de
una acidosis norespiratoria superimpuesta. Estas dos situaciones son muy
frecuentes y deben ser detectadas porque se deben tratar adecuadamente de
inmediato.
Existe un número limitado de causas de alcalosis respiratoria, las mas
importantes son las alcalosis hipoclorémicas y las hipokalémicas, ambas
estas, son el resultado del uso excesivo de diuréticos.
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Las acidosis no repiratorias coexistentes en pacientes con fallo respiratorio casi
siempre se encuentran relacionadas con hipoxia tisular y acidosis láctica.
Cuando el transporte de O2 es insuficiente para acometer los requerimientos de
O2, se produce un desplazamiento de las vias metabólicas aeróbicas a
anaeróbicas produciendose lactato. El choque o una hipoxia arterial profunda
pueden comprometer la entrega de O2 produciendo hipoxia de los tejidos. La
anemia también puede contribuir con un transporte inadecuado de O 2, pero es
raro, aunque sea severa, que sea lo suficiente para producir anaerobiasis en
ausencia de otros cambios.
Muchos pacientes con fallo respiratorio presentan desequilibrios ácido-básicos
mixtos, es decir, tanto respiratorios como no respiratorios. El conocimiento de la
duración del trastorno en el paciente y el de sus valores sanguineos de gases y
bicarbonato son clave para el establecimiento de la terapia necesaria.
La presencia de una acidemia o de una alcalemia, sea de origen respiratorio o
nó respiratorio, se asocia con desplazamientos del potasio y con cambios en la
concentración sérica de potasio. Cuando se acumulan los iones hidrógeno en el
cuerpo; algunos se distribuyen intracelularmente produciendo un movimiento de
potasio de las células hacia la sangre; por esta razón el potasio sérico aumenta
en los pacientes que sufren de acidemia. Cuando los iones de
RESUMEN
Los organismos vivos se encuentran sujetos a las mismas leyes que
gobiernan a los sistemas no animados. Al igual que estos los organismos están
formados por átomos, los cuales se unen de diferentes maneras formando
compuestos.
Las uniones covalentes se forman cuando los átomos comparten pares de
electrones. Las uniones covalentes pueden ser polares o no polares
dependiendo de la posición promedio de los electrones que comparten en las
puntas de la conjugación.
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Las conjugaciones iónicas se forman cuando un átomo toma uno o mas
electrones de otro átomo, y los iones resultantes se encuentran atraídos entre si
por cargas eléctricas opuestas. Estas uniones son las mas fuertes.
las uniones de hidrogeno resultan de atracciones eléctricas débiles entre
cargas ligeramente positivas o negativas de átomos unidos en forma polar entre
diferentes moléculas
Las reacciones químicas reacomodan las uniones entre los átomos, iones y
moléculas de tal manera que forman compuestos diferentes. Los organismos
vivos realizan de manera constante una gran variedad de reacciones químicas,
para formar compuestos diferentes de acuerdo a sus necesidades.
El agua es la sustancia mas abundante en los seres vivos, y como la
conocemos es muy necesaria para la vida. La estructura de la molécula de agua
y la habilidad del hidrogeno para conjugarse le proporcionan al agua una serie
única de propiedades que la hacen esencial para la vida:
Forma interfases con sustancias no polares
Absorbe calor y lo dispersa en forma pareja por todo el organismo
Es mas densa como liquido que como sólido
Disuelve sustancias polares y iónicas (con carga)
Muchas sustancias se disocian (separan) cuando se disuelven en el agua.
El pH de una solución representa la medida de su concentración en iones
hidrogeno. El pH es un valor que nos indica si una solución es ácida o alcalina.
Los buffer, amortiguadores o tampones son en su mayor parte iones
bicarbonato que mantienen los líquidos corporales a un pH casi constante.
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CARBOHIDRATOS
Objetivos a perseguir
Describir algunos carbohidratos desde el punto de vista químico y su función
Clasificar a los carbohidratos en los grupos en que se dividen: monosacáridos,
disacáridos y polisacáridos
Describir la estructura del gliceraldehido, dihidroxicetona, ribosa, glucosa,
fructosa y galactosa.
Mencionar el fenómeno de cilización de las osas
Mencionar los productos de oxidación y reducción de los monosacáridos
(Alcoholes: inositol, ribitol; ácidos: a. Glucurónico, a. Galacturónico)
Mencionar la importancia del proceso de fosforilación y aminación de los
monosacáridos
Explicar la formación de los disacáridos: lactosa, sacarosa, maltosa, isomaltosa
y celobiosa.
Mencionar las características estructurales y funcionales de los siguientes
polisacaridos: glucógeno, almidón, celulosa, ac. Hialurónico y heparina.
Por lo general los carbohidratos son polihidroxialdehidos, cetonas o derivados de
estos compuestos, a pesar de que normalmente poli- significa muchos, en la
manera en que se utiliza significa dos o mas grupos.
H

C=O

R
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R

C=O

R
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H

C=O

H - C - OH

CH2OH
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aldehído
cetona
dihidroxialdehido
(este es un carbohidrato)
El nombre de carbohidratos proviene de las primeras observaciones en las que
algunos de los miembros de esta clase tenían fórmulas que se podían escribir
así: Cn(H2O)n. Entonces aparecían como hidratos de carbono. Lo anterior se
puede confirmar con una prueba simple, como tratar un azucar simple con un
ácido fuerte como el sulfúrico. Cuando se añade este ácido al azúcar, el azúcar
blanco se convierte en un residuo oscuro, el cual casi es carbón puro, mientras
que el agua se evapora al ambiente en forma de vapor, representable con la
siguiente formula:
H2SO4(agente deshidrante )
Cn(H2O)n ----------------------------------------- nC + nH2O
Los primeros químicos le dieron este nombre por esta propiedad; sin embargo; a
la fecha esta definición no es exacta y asimismo no refleja las propiedades
químicas de estos compuestos.
El nombre de muchos carbohidratos llevan el sufijo -osa, como la glucosa,
sucrosa,
y celulosa identificándose claramente como carbohidratos. Algunos
carbohidratos no se apegan a esta simple regla de la nomenclatura, como el
almidón, el glicógeno y la quitina.
El tamaño de los carbohidratos es muy variable los mas grandes contienen dos
o mas unidades básicas de carbohidratos. La unidad básica es llamada
sacarido, que es la palabra latina que designa al azucar. Una de las
clasificaciones de
los carbohidratos se basa en el número de unidades de
sacáridos que se encuentra en la molécula. Los carbohidratos mas pequeños
son los monosacáridos, son azucares simples y representan las unidades
básicas que se encuentran en otros cabohidratos. Estos compuestos poseen la
fórmula general CnH2nOn. Los monosacáridos no pueden ser convertidos en
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carbohidratos mas pequeños por hidrolisis en ácidos diluidos. La glucosa es un
monosacarido.
H+ diluido
Glucosa
+
H2O
------------------------- No hay reacción
(Monosacárido)
Los oligosacáridos son carbohidratos que tienen dos o mas monosacáridos
unidos entre sí de manera covalente. Con una hidrólisis suave se pueden
romper estas uniones covalentes para dar monosacáridos individuales. La
sucrosa es el azucar que se encuentra en el nectar, y por medio de una hidrólisis
suave da lugar a dos monosacáridos; la glucosa y la fructosa.
H+ diluido
Sucrosa
+
H2O
-----------
Glucosa
(Disacárido)
+ Fructosa
(Monosacáridos)
El prefijo oligo- significa varios y se utiliza para dar a entender que son de dos a
diez. Se nombran oligosacáridos por el número actual de monosacáridos
presentes en la molécula. Por ejemplo, el disacárido lactosa contiene dos
monocáridos, mientras que el tetrasacárido maltotetrosa contiene cuatro
monosáridos. Se debe hacer notar que los prefijos di-, tri-, tetra-, etc.
Representan el mismo valor numérico que se estudió anteriormente. La mayoría
de los oligosacáridos que se han discutido son disacáridos.
La celulosa, el almidón y la quitina son ejemplos de carbohidratos muy grandes,
y a estas sustancias se les clasifica como Polisacáridos. Son polímeros de
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polisacáridos que cuando son hidrolisados dan lugar a muchas moléculas de
monosacáridos.
H+ diluido
Celulosa
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+ nH2O -----------------------
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(n + 1)
glucosa
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