Tema 0: Introducció.
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Tema 0: 0.1 Introducció. Un viatge al centre de la vida. Antes de empezar la excursión Estamos a punto de introducirnos en un mundo extraño, fascinante y misterioso; y bastante alejado también de nuestra experiencia cotidiana. Es un mundo que existe dentro de cada uno de nosotros, y que se repite en nuestro interior hasta más de 10 billones de veces. Es un mundo que está presente también en cualquier otro ser vivo, todos ellos constituidos por una o más de esas unidades microscópicas, llamadas células, capaces de llevar una vida independiente si disponen del entorno adecuado. En nuestro viaje por el interior de la célula vamos a contemplar la vida en su forma básica y elemental. Pero antes detengámonos un momento para escuchar unas breves instrucciones. El mundo de la célula Dejemos bien sentado, desde un comienzo, que no existe la célula. Sólo hay células, una ingente variedad de ellas. Si nos fijamos con atención en sus rasgos más conspicuos (tamaño, forma, movimiento y alguna otra de sus manifestaciones externas), las encontraremos tan distintas entre sí que podría tal vez escapársenos el parentesco fundamental que las liga. Eso les sucedió a los primeros microscopistas durante más de 150 años. Pero en cuanto nos adentremos un poco más, como será el caso en nuestra excursión, esa unidad se nos revelará por sí misma. Para cuando lleguemos al mundo de las estructuras submicroscópicas y de las funciones moleculares, las diferencias entre las células se habrán esfumado casi por ensalmo. Al afirmar de la célula viva que constituye el objeto de nuestra excursión, queremos aludir a un común denominador de todas ellas y que comparte, con ellas también, los principales atributos de la vida. Buena parte de nuestro viaje lo haremos a través de esa entidad imaginaria, aunque iremos remitiendo a las células reales. Resulta, pues, necesario, antes de ponernos en marcha, tener cierta idea de los distintos tipos de células que nos saldrán al encuentro. Nuestro propio cuerpo está formado por varios centenares de tipos celulares, representado, cada uno, por varios billones de ejemplares: células nerviosas, células sanguíneas, musculares, glandulares, etcétera. De cada una de las cuales existe, a su vez, un número variable de subtipos. Como sus nombres nos anuncian, las células de un determinado tipo tienden a agruparse en órganos, o sistemas, y en ellos desempeñan sus funciones específicas. Al modo de agruparse le corresponde a veces un papel decisivo en la expresión de esas funciones. Por ejemplo, todas las células musculares estriadas presentan idéntico aspecto, y todas poseen la capacidad de contraerse. La diferencia entre los cientos de músculos del cuerpo humano radica precisamente en la forma de la asociación celular. Los patrones según los cuales se asocian las células entre sí alcanzan el grado más elevado de complejidad en el sistema nervioso central, constituido por decenas de millares de millones de células, cada una de las cuales puede estar conectada hasta con unas diez mil de sus congéneres. Conexiones que se encargan de establecer las propias células: se La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 1 buscan, se reconocen y se unen entre sí valiéndose de un mecanismo poco conocido. La estabilidad y el soporte de esas asociaciones corresponde a múltiples elementos estructurales y extracelulares, principales responsables de mantener la arquitectura característica de cada tejido. Nuestros parientes cercanos, los otros mamíferos, están construidos de modo semejante y, en sus líneas esenciales, con los mismos tipos de células. Encontramos células musculares y nerviosas en peces, insectos, moluscos y gusanos, si bien el modo en que se disponen se simplifica progresivamente. En el dominio de los invertebrados inferiores, pensemos en las esponjas, el patrón se aparta ya del guión seguido por un organismo pluricelular y corresponde al de una colonia de células semiindependientes. En el primer grado de la escala hallamos los protozoos, como las amebas, totalmente independientes y constituidos por una sola célula. Los vegetales están constituidos también por tipos celulares diversos, unidos a través de elementos estructurales. Pero la organización vegetal difiere de la animal. Han nacido ligados a una economía solar, condicionada por la presencia, en sus células, de un tipo especial de central alimentada por la luz: los cloroplastos. Déjese de lado esos componentes y el resto se parecerá notablemente a una célula animal. Igual que ocurre en los animales, también entre los vegetales existen diferentes grados de complejidad, que van desde los muy refinados, como los árboles y las plantas con flores, hasta los muy sencillos, como las algas unicelulares. Sus parientes no fotosintéticos, los hongos, despliegan también una amplia gama de complejidad, que va, en orden descendente, desde las setas hasta los mohos y las levaduras. Todas esas células, que constituyen los reinos animal y vegetal, están construidas de acuerdo con el mismo patrón general. Concretamente, en su interior se alberga una estructura central voluminosa de forma característica, que recibe el nombre de núcleo; además, están subdivididas, por tabiques membranosos, en compartimentos muy distintos. Calificamos tales células con el apelativo de eucariotas, que en griego significa “dotadas de un buen núcleo”. Son ellas el objeto de nuestro viaje, deteniéndonos, casi exclusivamente, en nuestro propio reino animal, aunque haremos alguna excursión esporádica al mundo de las plantas. Por debajo de los eucariotas se encuentra un tipo más sencillo de células que también visitaremos: el de las procariotas; así se llaman porque poseen un núcleo bastante primitivo. Los procariotas son las bacterias. Con un tamaño mucho menor que el de los eucariotas, viven solitarias o en colonias y presentan una pobre organización interna. Lo que no impide que exista una enorme variedad de especies y hayan conseguido invadir los ambientes más inhóspitos, incluidas las charcas hirvientes de las fuentes termales y el espeso caldo salino de los mares en evaporación. Nos encontramos con ellas por todas partes, desarrollando muchos de los procesos por los cuales los constituyentes de los organismos muertos se reciclan para dar lugar a nuevas formas, que puedan de nuevo servir de soporte para la vida. Sin bacterias, se extinguiría la vida eucariota muy pronto. Algunas bacterias, sin embargo, son perjudiciales en razón de la capacidad que tienen de invadir organismos superiores y producir enfermedades. Finalmente, si descendemos de nuevo en un orden de magnitud, nos encontramos con los virus, a los que también haremos alguna visita y que ya no se consideran células, pues carecen de la capacidad de vida independiente. Pero poseen una propiedad esencial de la vida: la de suministrar las instrucciones para su propia reproducción cuando se les ofrece la maquinaria requerida. Esta la encuentran en cuanto penetran en una célula genuina, eucariota o procariota. Una vez en su interior, se apropian de la maquinaria de copia de la célula y se multiplican La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 2 repetidamente, causando, la mayoría de las veces, la degeneración y muerte de la misma. El mundo de las moléculas Si queremos comprender cómo están construidas las células y cómo funcionan, no nos queda más remedio que usar el lenguaje de la química. Más aún, tendremos que recurrir a una forma bastante compleja de dicho lenguaje, tan alto es el grado de "alquimia" desplegado por las células. Reflejo de esa complejidad y del progreso alcanzado en su conocimiento es el acelerado desarrollo que ha experimentado la bioquímica en estos últimos años. Ahora bien, no hay que pedirle a todos los turistas que sean duchos en química. Y sería una pena que la belleza y fascinación del mundo celular quedara reservado a un grupo restringido de expertos en el dominio de las biomoléculas. Porque nos gustaría que nos acompañasen cuantos más mejor, no regatearemos ningún esfuerzo a la hora de facilitar su participación. Lo que no significa que rehuyamos toda apelación a la química. Sin su concurso, malgastaríamos buena parte de nuestra excursión. Supondremos, por tanto, ciertos conocimientos básicos de las nociones y leyes de la química. En la medida de lo posible utilizaremos imágenes y modelos para presentar las ideas básicas; no sacrificaremos, sin embargo, ni el rigor científico ni la exactitud en aras de la simplicidad. Es de esperar, por consiguiente, que a nuestra excursión se puedan sumar muchos; pero a todos se les urge que ahonden en el mundo de las moléculas si quieren disfrutar en el dominio de las células. Aunque no hace falta ser egiptólogo para admirar las pirámides y los tesoros de Tutankamon, resulta obvio que cuanto mejor conozcamos su historia, tanto mayor será el provecho y el placer que nos reportará su contemplación. El problema del tamaño Las células se miden en micrómetros (1µm = una millonésima de metro); las moléculas se miden en nanómetros (1nm = una milmillonésima de metro = 10-9 m). Dimensiones tan pequeñas no son de fácil observación. Consideremos, por ejemplo, una célula eucariota de tamaño medio. De forma aproximadamente esférica, su diámetro mide unos 25 µm , lo que significa que en un cubo de 2,5 centímetros de arista pueden acomodarse holgadamente mil millones de células. Las bacterias tienen un diámetro de un micrómetro, más o menos, lo que significa que en el interior de una célula eucariota caben más de 10.000. Muchos virus son tan pequeños que podríamos introducirlos por millares en una célula bacteriana o por decenas de trillones en un cubo de 2.5 cm de arista. La imaginación se resiste a seguir. Resolveremos esa dificultad mediante un proceso de miniaturización que nos convertirá en el tamaño de una bacteria: empequeñeceremos un millón de veces, en las tres dimensiones. Lo que equivale a decir que, permaneciendo sin alterar nuestra talla, todo lo que nos rodea crecerá hasta un millón de veces. Así agrandada, la Tierra se extendería mucho más allá del lugar que ahora ocupa el Sol, un rayo de luz tardaría más de 18 horas en llegar de uno a otro polo y la célula adquiriría las proporciones de un espacioso salón de actos, tamaño razonable para nuestro propósito. Podremos entonces detenernos ante cualquier punto que llame nuestra atención y examinar sus detalles incluso hasta el nivel de las mismas moléculas. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 3 Los itinerarios Aquí comentaremos un poco los itinerarios que seguiremos en el estudio de la célula eucariota. Anteriormente ya habremos visitado los componentes químicos que constituyen los seres vivos y habremos hecho sendas excursiones a los virus y las células procariotas. Un vistazo al mapa Antes de emprender nuestra marcha resulta obligado un breve repaso del mapa de la célula a fin de orientarnos en nuestro camino y hacernos una idea de hacia dónde nos dirigimos y de las distintas etapas de la visita. En esta somera introducción, nos limitaremos a identificar por su nombre los componentes celulares y sus correspondientes funciones. A su debido tiempo, llegarán las oportunas aclaraciones. El rasgo más ostensible, percibido ya por los primeros citólogos, es la distinción entre el núcleo, situado en el centro, y el citoplasma que le rodea. Estas dos partes de la célula se relacionan entre sí como el hueso —núcleo se deriva de la palabra latina que significa nuez— y la pulpa de la cereza. Como en este fruto, la célula está cubierta por una película o membrana: el plasmalema, o membrana plasmática. El núcleo es la estancia donde se encuentra la biblioteca genética de la célula, ordenada de acuerdo con un código químico en unidades discretas, los cromosomas. Por regla general, éstos se hallan tan entremezclados que forman lo que aparece como una única masa de cromatina, irregularmente subdividida en porciones más densas (heterocromatina) y otras menos densas (eucromatina): incluyen, además, una o más estructuras especializadas llamadas nucleolos. Una envoltura membranosa encierra por completo esa masa, impregnada por un fluido de nombre nucleoplasma. Las principales funciones del núcleo guardan una relación directa con el tratamiento de la información; abarcan también la conservación y, si fuera necesario, La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 4 la restauración de la biblioteca genética, la transcripción especialmente, un proceso muy selectivo y complejo por el cual se leen ciertas instrucciones del almacén donde se encuentra la información y se envían al citoplasma para su expresión. Los genes ejercen su influencia dominante sobre la célula a través de esos mecanismos. Cuando una célula se prepara para la división, el núcleo realiza una función adicional, que consiste en la duplicación exacta de toda la biblioteca genética. Posteriormente, el núcleo sufre una compleja reorganización, la mitosis, en la que los cromosomas dejan transitoriamente verse como filamentos separados, dando lugar a la formación de dos núcleos. El citoplasma está constituido por una masa gelatinosa, el citosol, sostenida por un citoesqueleto y que contiene gran número de orgánulos en su interior. Estos realizan, a su vez, múltiples funciones, divisibles a grandes rasgos en "asuntos interiores" y "asuntos exteriores". Los asuntos interiores se refieren a la biosíntesis y a la producción de energía. La biosíntesis es una actividad permanente, incluso en la célula estanca en su crecimiento, pues los procesos químicos celulares no se interrumpen. Continuamente deshacen y reconstruyen la mayoría de sus componentes con extraordinario dinamismo. Tal actividad consume una buena cantidad de energía. Igual ocurre con las otras formas de trabajo que las células realizan en relación con el movimiento, el transporte molecular, la generación de electricidad, la transferencia de información y, a veces, la emisión de luz. Las células cubren estos requerimientos mediante la degradación de nutrientes ricos en energía aportados, bien desde el exterior, bien por las reservas propias de la misma célula y, en las plantas verdes y en las bacterias fotosintéticas, mediante la absorción y la utilización de la luz solar. La suma total de esas reacciones constituye lo que suele denominarse metabolismo, dividido a su vez en anabolismo (procesos biosintéticos) y catabolismo (reacciones degradativas). Los sistemas que llevan a cabo esas actividades tan diversas se alojan en el citosol y en bastantes orgánulos que mantienen una estrecha relación con él. Entre éstos debemos citar las mitocondrias, llamadas frecuentemente centrales energéticas de la Célula, por constituir la sede de las principales reacciones oxidativas y de los mecanismos mediante los cuales se capta la energía liberada en estas reacciones y se ofrece a la célula en forma utilizable; los cloroplastos, que albergan la maquinaria fotosintética de las plantas verdes; los microsomas, una familia heterogéneo de orgánulos metabólicos, entre los que se encuentran los peroxisomas, sus representantes más significativos; gran número de diversas unidades motoras relacionadas con el movimiento celular; los ribosomas, que son las centrales citoplasmáticas donde se sintetizan las proteínas y, como tales, los principales ejecutores de las órdenes genéticas emanadas del núcleo, y, por último, distintas citomembranas, implicadas sobre todo en los asuntos exteriores, si bien albergan, además, muchos e importantes sistemas metabólicos. Bajo el epígrafe de asuntos exteriores agrupamos las diversas actividades implicadas en la comunicación y en el intercambio de sustancias entre la célula y su entorno. Comparten estas actividades la membrana plasmática, que es la envoltura real de la célula, y una intrincada red de membranas intracelulares relacionadas con la membrana plasmática y organizadas en múltiples estructuras cerradas, con aspecto de bolsas. Capaces de establecer, directa o indirectamente, conexiones transitorias entre sí o con la membrana plasmática, estas estructuras cumplen funciones de almacenamiento, retoque de las moléculas, transporte intracelular de sustancias procedentes del exterior y degradadas intracelularmente o fabricadas en el seno de la propia célula para ulterior distribución extracelular. Característica fundamental de estos intercambios es que tienen lugar sin que se produzca en las membranas que en La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 5 ellos participan el más mínimo rasguño o hendidura. Existe siempre, por tanto, una frontera membranosa entre los contenidos de las bolsas y el citosol que las rodea. Por ese motivo, estas membranas actúan a imagen de la membrana plasmática, hasta el punto de que llevan a cabo también intercambios entre la célula y su entorno a través de los espacios segregados que ellas mismas delimitan. Conocido con el nombre de vacuoma por los primeros citólogos —el término ha caído en desuso, pero merece recuperarse—, este sistema de citomembranas está constituido por dos secciones distintas, aunque en estrecha relación, dedicadas, respectivamente, a la importación y exportación, y subdivididas a su vez en subsecciones que desempeñan funciones peculiares. En el departamento de importación encontramos lo siguiente: zonas especializadas de la membrana plasmática, que se ocupan de la captación de materiales extracelulares por un mecanismo llamado endocitosis; un compartimento dedicado al almacenamiento, constituido por los endosomas, cuya misión fundamental consiste en la selección y redistribución de los materiales captados del exterior, y un complejo de vacuolas digestivas o lisosomas, donde tiene lugar la degradación de esos materiales. El sistema de exportación comienza en el retículo endoplasmático rugoso, que recoge y modifica las proteínas recién sintetizadas y manufacturadas por los ribosomas adosados a sus membranas. Esta estructura comunica, por medio del retículo endoplasmático liso (sin ribosomas adosados), con un complejo sistema conocido por aparato de Golgi. La modificación ulterior, así como la selección del material a exportar, prosigue en estas dos subdivisiones. Desde el aparato de Golgi, los materiales se dirigen posteriormente, después de su almacenamiento y concentración en gránulos de secreción, hacia la periferia celular, donde se descargan por exocitosis. Un grupo especial de vesículas traslada materiales desde el aparato de Golgi hasta los lisosomas. Otras están implicadas en el reciclaje de las membranas que participan en estos procesos. Basándonos en este esquema, dividiremos nuestra excursión a la célula eucariota en tres itinerarios: Itinerario 1: Alrededores y superficie de la célula; el vacuoma. Comenzaremos nuestra aproximación a la célula de manera progresiva, después de salir de un vaso sanguíneo, para así gozar de la oportunidad de contemplar algunas estructuras extracelulares. A continuación, tras un repaso detenido a la superficie celular, exploraremos el vacuoma, entrando por endocitosis y saliendo por exocitosis. Entre una y otra, nos aprovecharemos del sistema local de transporte de masas para visitar los diferentes componentes del complejo y observar de primera mano, compartir diría yo, los viajes y las experiencias intracelulares de esos materiales, al tiempo que la célula los importa del exterior o los manufactura para su exportación. Esta primera parte de nuestra excursión nos permitirá familiarizarnos con los principales constituyentes celulares —proteínas, polisacáridos, y lípidos— y con algunas de las estructuras a las que dan lugar asociándose. Itinerario 2: Citosol y orgánulos citoplasmáticos. Nuestro segundo itinerario nos conducirá directamente al citosol. Desde allí, nos acercaremos hasta los orgánulos que están conectados con él. Adquiriremos así algunas nociones sobre el metabolismo y los principios fundamentales que rigen las transformaciones energéticas. Al llegar a los ribosomas recibiremos una primera La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 6 explicación de la naturaleza de la transferencia de información y de las moléculas responsables de la misma: los ácidos nucleicos. Itinerario 3: El núcleo. Por último, dedicaremos nuestro tercer itinerario a recorrer el núcleo, con los genes en acción. Asistiremos a las complejas transformaciones que sufren los cromosomas, asociadas con la mitosis y con un proceso afín, la meiosis. Esas enseñanzas nos servirán para ocuparnos de importantes problemas biológicos, incluidos el origen de la vida y el mecanismo de la evolución, y de otros asimismo apremiantes; como el mecanismo de génesis del cáncer y al futuro de la biotecnología. Aprovecharemos la agitación que acompaña la división celular para salir de su recinto y dar por concluido el viaje. El equipo de submarinismo Un último punto antes de ponernos en marcha: las células viven en un mundo acuático, aun cuando no sea ése el caso de los organismos de los que forman parte. Consideremos, por ejemplo, nuestras propias células. Salvo las capas más externas de la piel, formadas por células muertas momificadas, todas las demás están inmersas en líquido, ya sea éste la sangre u otro fluido derivado de la misma. De modo semejante, las células vegetales están bañadas por la savia. Hasta las más resistentes de las bacterias necesitan algo de humedad a su alrededor. Pueden sobrevivir en ambientes completamente secos, pero sólo en estado latente, detenidos sus procesos en tanto no los despierte el agua. Lo mismo sucede en células más complejas, como las de los mohos y semillas. Los turistas celulares se asemejan bastante a los exploradores submarinos popularizados por los documentales de Jacques Cousteau, que realizan sus incursiones sumergidos. La verdad es que, si no fuera por el agua que los rodea, muchos de los objetos que ven se encogerían arrugados. Así pues, casémonos las escafandras, y al agua, que ya partimos. 0.2 Biologia: Concepte i branques. La Biología es la ciencia que estudia los seres vivos. Su nombre proviene del griego «bios», que significa vida, y de «logos», que significa estudio. Si analizamos los términos de esta definición, encontramos que: — Se llama ciencia al estudio razonado de la materia. Por lo tanto, la ciencia necesita de la materia para desarrollarse y para avanzar. Cuando no hay nada que pesar, medir, observar, etc., no hay lugar para la ciencia. — Se considera ser vivo a aquel que tiene las siguientes características: posee una estructura material compleja, se nutre, se relaciona y se reproduce. En el estudio de los seres vivos puede establecerse un paralelismo entre la información biológica y la información literaria. Al igual que en un idioma hay miles de palabras e infinitas combinaciones, muchas de ellas necesarias para poder transmitir La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 7 un mensaje, en la información biológica son necesarias miles de sustancias muy complejas y difíciles de sintetizar. Según el objeto del estudio y según la perspectiva con que se realice, se distinguen múltiples ramas de la Biología. Si las agrupamos según los niveles de organización de los seres vivos, podemos presentar el siguiente esquema: La Ecología es la ciencia que se ocupa de los ecosistemas; la Genética de poblaciones estudia cómo varían los caracteres hereditarios en una población; la Evolución, cómo han ido sucediéndose estas variaciones en los seres vivos a través de las generaciones; la Etología, el comportamiento de los animales; la Taxonomía, cómo se clasifican los seres vivos según sus semejanzas; la Paleontología trata de los restos de vida en el pasado; la Genética, de cómo se heredan los caracteres biológicos; la Embriología, de cómo se desarrollan los óvulos fecundados; la Fisiología, de cómo son las funciones de los seres vivos; la Anatomía, de cómo es la estructura de los organismos; la Organografía, de cómo están constituidos los órganos; la Histología estudia los tejidos; la Botánica, las plantas; la Zoología, los animales; la Microbiología, los seres microscópicos; la Citología, la estructura de las células (morfología celular) y sus funciones (fisiología celular); la Virología, la estructura y reproducción de los virus; la Bioquímica analiza la estructura de las moléculas que constituyen los seres vivos, así como los procesos químicos en los que intervienen; y la Biofísica es la aplicación de los conceptos físicos a la comprensión de los seres vivos. Cada una de estas ciencias se subdivide en otras. Por ejemplo, en la Ecología distinguimos la Oceanografía (océanos y mares), la Limnología (lagos y ríos), la Geobotánica (asociaciones vegetales), etc. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 8 Tema 1: 1.1 Els éssers vius i la vida. Concepte d’ésser viu i de vida. Como ya hemos comentado en el tema anterior, se considera ser vivo a aquel que posee una estructura material compleja, se nutre, se relaciona y se reproduce. Los seres vivos —incluso aquellos de tamaño más reducido— son necesariamente complejos. En muchos momentos deben ser capaces de actuar, de reaccionar con las moléculas que los rodean. Deberán, por tanto, poseer las sustancias necesarias para controlar reacciones químicas y así evitar la descomposición de su propia estructura. La nutrición puede definirse como la capacidad que tiene un ser de captar materia del exterior y utilizarla en su propio provecho, ya sea para crecer y desarrollarse o simplemente para mantener su estructura y sus restantes funciones vitales. Relacionarse es la capacidad de recibir estímulos y responder a ellos. Sin esta capacidad serían imposibles la nutrición y la adaptación a las variaciones del ambiente. La reproducción es la aparición a partir de uno (reproducción asexual) o de dos individuos (reproducción sexual) de nuevos seres con características similares a las de sus progenitores. Dada la duración, curiosamente limitada, de los individuos vivos, la reproducción es imprescindible para que la vida se extienda en el tiempo. Desde una perspectiva global, el ser vivo puede concebirse como un ser complejo poseedor de una cierta «intencionalidad» que se manifiesta en que es capaz de incorporar materia, de mantener su estructura (a expensas de desorganizar su entorno) durante un determinado tiempo y de reproducirse. La vida puede así considerarse como el conjunto de cualidades propias de los seres vivos, es decir, aquello por lo que un ser es capaz de actuar por sí mismo sin perder su nivel estructural. En esto se diferencian los seres vivos de las sustancias no vivas. 1.2 Nivells d’organització. Conceptos generales Al observar la materia podemos distinguir en ella varios grados de complejidad estructural, que son los llamados niveles de organización. Actualmente se diferencian siete niveles: el nivel subatómico, el nivel atómico, el nivel molecular, el nivel celular, el nivel pluricelular, el nivel de población y el nivel de ecosistema. Los niveles subatómico y atómico son niveles abióticos, es decir, niveles de materia no viva; el nivel molecular es en parte un nivel abiótico y en parte un nivel biótico, ya que a él pertenecen los virus. Estos organismos —organismo es cualquier ser vivo— están en la frontera entre la materia viva y la materia no viva, ya que, aunque se pueden reproducir en el interior de las células que parasitan, también pueden adoptar una estructura cristalina y permanecer así indefinidamente. El resto de los niveles son todos ellos niveles bióticos. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 9 Características de los diferentes niveles de organización Nivel subatómico Lo integran las partículas más pequeñas de materia. Aquellas que integran los átomos, como protones, neutrones, etc. Nivel atómico Está constituido por los átomos. Los átomos son la parte más pequeña de un elemento químico que puede intervenir en una reacción. Por ejemplo, un átomo de hierro, un átomo de oxígeno, etc. Nivel molecular Es el que incluye a las moléculas. Estas se pueden definir como unidades materiales formadas por la agrupación de dos o más átomos mediante enlaces químicos. Por ejemplo, una molécula de oxígeno (O2), una de carbonato cálcico (CaCO3), etc. A las moléculas que constituyen la materia viva se las denomina biomoléculas o principios inmediatos; por ejemplo, la glucosa (C6H12O6). Todas las moléculas que básicamente son compuestos de carbono se denominan moléculas orgánicas, ya que se creía que sólo las podían producir los organismos. Actualmente, tras lograrse la síntesis artificial de compuestos de carbono que nunca aparecen en los seres vivos, como por ejemplo los plásticos, es preciso distinguir, dentro de las moléculas orgánicas, entre biomoléculas y no biomoléculas. A este nivel también pertenecen las macromoléculas y los virus. Las macromoléculas resultan de la unión de muchas moléculas en un polímero. La unidad que se repite se denomina monómero. Así, por ejemplo, el almidón (macromolécula) es un polímero de glucosa (monómero). Las proteínas (macromoléculas) son polímeros de aminoácidos (monómeros). Varias macromoléculas pueden unirse en un complejo supramolecular; por ejemplo, las glucoproteínas. Los complejos supramoleculares pueden encontrarse asociados formando orgánulos celulares, como los lisosomas, los retículos endoplasmáticos, etc., sin que éstos puedan ser considerados como individuos vivos, ya que no gozan de la autonomía anteriormente citada. Los virus son complejos supramoleculares. Nivel celular Abarca las células. Estas son unidades de materia viva constituidas por una membrana, un citoplasma y un núcleo. Se distinguen dos tipos de células: las células procariotas, que son las que carecen de envoltura nuclear y que, por lo tanto, el contenido del núcleo se haya disperso en el citoplasma, y las células eucariotas, que son las que sí tienen envoltura nuclear y un núcleo bien diferenciado. Son organismos unicelulares procariotas las bacterias y las cianofíceas, y son organismos unicelulares eucariotas los protozoos y las algas unicelulares. Las células son, pues, las partes más pequeñas de materia viva que pueden existir libres en el medio. A veces los organismos unicelulares se asocian formando colonias, consiguiendo así una mayor adaptación al medio, pero estas agrupaciones no se incluyen en el nivel pluricelular, ya que cada célula sigue realizando individualmente todas las funciones. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 10 Nivel pluricelular Abarca aquellos seres vivos que están constituidos por más de una célula. Dentro de este nivel se pueden distinguir varios grados de complejidad o subniveles: los tejidos, los órganos, los sistemas y los aparatos. Los tejidos son conjuntos de células muy parecidas que realizan las mismas funciones y que tienen un mismo origen. Cuando un organismo pluricelular sólo tiene un tipo de células, se dice que tiene estructura de talo. Las algas pluricelulares y los hongos pluricelulares, por ejemplo, tienen estructura de talo. Los órganos son las unidades estructurales y funcionales de los llamados seres vivos superiores. Están constituidos por, varios tejidos y realizan actos concretos. Por ejemplo, el músculo bíceps está constituido por tejido muscular, tejido conjuntivo, tejido nervioso y sangre, y su acto consiste en la flexión del antebrazo. Otros órganos son el corazón (bombea sangre), la flor (reproducción de las plantas), etc. Los sistemas son conjuntos de órganos parecidos, ya que están constituidos por los mismos tejidos, pero que realizan actos que pueden ser completamente independientes. Por ejemplo, en el sistema muscular hay músculos que mueven la cabeza, otros los brazos, otros las piernas, etc. Otros sistemas son el óseo, el nervioso y el endocrino. Los aparatos son conjuntos de órganos que pueden ser muy diferentes entre sí, pero cuyos actos están coordinados para constituir lo que se llama una función. Por ejemplo, el aparato digestivo está formado por órganos tan diferentes como los dientes, la lengua, el estómago, etc., y todos coordinados realizan la función de la digestión. Nivel de población En él se consideran los organismos de la misma especie, no en cuanto individuos concretos, sino desde el punto de vista de las relaciones que entre ellos se establecen, tanto en el espacio como en el tiempo. Se entiende por población el conjunto de individuos de la misma especie que viven en una misma zona y en un momento determinado; por ejemplo, la población de conejos que existe hoy en el Montseny (Barcelona). Nivel de ecosistema En él se estudian tanto el conjunto de poblaciones que viven interrelacionadas (la llamada comunidad o biocenosis) como el lugar, con sus condiciones fisicoquímicos, en el que se encuentran viviendo (el llamado biotopo). El conjunto de biocenosis y biotopo se denomina ecosistema. Las ramas de la Biología que estudian cada uno de estos niveles son: Nivel de ecosistema Nivel de población Nivel pluricelular Nivel celular Nivel molecular Ecología Genética de poblaciones, Evolución, Etología. Taxonomía, Paleontología, Genética, Embriología, Anatomía, Organografía, Histología, Botánica, Zoología. Microbiología, Citología. Virología, Bioquímica y Biofísica. Fisiología, La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 11 1.3 Classificació dels éssers vius Según su estructura, los organismos se clasifican actualmente en virus, moneras, protistas, metafitas y metazoos1. Las moneras son unicelulares y procariotas; abarcan las bacterias y cianofíceas. Los protistas son eucarióticos, unicelulares o pluricelulares, pero sin llegar a formar tejidos especializados; incluyen algas, hongos y protozoos. Las metafitas son eucariontes, pluricelulares, tisulares y fotosintéticas; comprenden las briofitas (musgos) y traqueofitas. Los metazoos son eucariontes, pluricelulares, tisulares y heterótrofos. En la clasificación científica actual no se utilizan los términos animal y vegetal. Esto se debe a que hay seres, como los fitoflagelados y los hongos, que no se pueden clasificar dentro de uno u otro de estos apartados, ya que poseen características intermedias. Así, los hongos, por un lado, parecen plantas, ya que tienen membrana celulósica y, por otro, parecen animales, ya que carecen de clorofila y poseen nutrición de tipo heterótrofo. Ha sido preciso, pues, crear el grupo de los protistas para los seres eucarióticos de organización sencilla y el grupo de las moneras para los seres procarióticos. 1.4 Bioelements (elements biogènics) i biomolècules (principis immediats). Elementos biogénicos o bioelementos ¿De qué están compuestos los seres vivos? Si se hace un análisis químico de cada uno de los diferentes tipos de seres vivos y posteriormente se realiza una media proporcional de los resultados según la abundancia de cada tipo, encontramos que la materia viva está constituida por unos 70 elementos (prácticamente la totalidad de los elementos estables que existen en la Tierra, exceptuando los gases nobles), los llamados bioelementos o elementos biogénicos (de «bios» = vida y «genos» = nacimiento). Estos elementos se encuentran en unas proporciones muy distintas entre sí y también respecto a su abundancia en la corteza terrestre. Se pueden dividir en: — Bioelementos primarios, que son un grupo de seis y constituyen el 96,2 % del total de la materia viva. Son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). Se llaman primarios porque son indispensables para la formación de aquellas moléculas en las que se basa la vida (biomoléculas o principios inmediatos) presentes en todos los seres vivos. — Bioelementos secundarios, que son todos los restantes. En ellos distinguimos: los indispensables, como son el calcio (Ca), el sodio (Na), el potasio (K), el magnesio (Mg), el cloro (Cl), el hierro (Fe), el silicio (Si), el cobre (Cu), el manganeso (Mn), el boro (B), el flúor (F) y el yodo (I); y los variables, que son los que pueden faltar en algunos organismos; entre ellos podemos citar Br, Zn, Ti, V, Pb, CO, Al, etc. 1 Consultar cuadro al final del tema. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 12 Los elementos que se encuentran en proporciones inferiores al 0,1 % se denominan oligoelementos. Muchos bioelementos pueden ser a la vez indispensables y oligoelementos, debido a que su función no es estructural, sino catalizadora (facilita reacciones químicas imprescindibles para la vida). Así, una pequeña cantidad de ellos es suficiente para que todo el organismo funcione bien; pero si faltara totalmente alguno, el organismo moriría. Por otro lado, los bioelementos secundarios indispensables tienen valores muy diferentes según el tipo de organismo que se considere. Así, el calcio sólo se encuentra en un 0,007 % en los vegetales, mientras que en los vertebrados constituye el 2,5 % del total. Otro caso parecido es el del silicio, que alcanza el 1 % de toda la materia viva, ya que se encuentra en las gramíneas y en las algas diatomeas, dos grupos muy abundantes en la biosfera, mientras que en los vertebrados mamíferos sólo representa el 0,001 %. Las funciones de los bioelementos son muy diversas. Los elementos C, H, O, N, S y P constituyen los principios inmediatos. Se les llama por ello elementos plásticos. Otros elementos tienen actividades muy específicas. El ion sodio (Na+) es el más abundante en los líquidos internos; el ion potasio (K+) es imprescindible para la transmisión nerviosa; el calcio en forma de carbonato (CaCO3) da lugar a los caparazones de los moluscos y a los esqueletos de otros muchos animales, y como ion (Ca2+) actúa en los mecanismos de la contracción muscular; el hierro es necesario para sintetizar la hemoglobina; el cobre se requiere para formar la hemocianina, el pigmento respiratorio de muchos invertebrados acuáticos; el cobalto hace falta para sintetizar la vitamina B12; y así se pueden citar otros muchos elementos que se necesitan para catalizar diversas reacciones fisiológicas. Los principios inmediatos o biomoléculas Si se efectúa un análisis físico de la materia viva, de forma que podamos separar cada una de las sustancias que la componen sin que se alteren, se llega a los llamados principios inmediatos o biomoléculas. Los métodos utilizados para este análisis son: la evaporación, la filtración, la destilación, la cristalización, etc. Los principios inmediatos pueden ser simples o compuestos. Se llaman simples cuando las moléculas están formadas por átomos del mismo tipo, como, por ejemplo, el oxígeno (O2), y compuestos cuando hay átomos de diferentes elementos, como, por ejemplo, el agua (H2O). Los principios inmediatos compuestos pueden ser inorgánicos, como el agua, las sales minerales (carbonatos, fosfatos, etc.) y el La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 13 anhídrido carbónico, u orgánicos, es decir, constituidos por polímeros de carbono, como los glúcidos, los lípidos, los prótidos y los ácidos nucleicos. Al grupo de los prótidos y de los lípidos pertenecen los llamados biocatalizadores, que son las hormonas, las vitaminas y las enzimas. Su proporción en la materia viva es muy pequeña, pero su falta total provoca la muerte. EL AGUA Es la sustancia química más abundante en la materia viva. En el hombre representa el 63 % de su peso, en las algas el 95 %, en el embrión humano el 94 %. Entre los límites inferiores están los huesos, con un 22 %, algunas semillas, con un 20 %, y la dentina de los dientes, con sólo un 10 %. Existe una relación directa entre contenido en agua y actividad fisiológica de un organismo. Así, los menores porcentajes se dan en seres con vida latente, como semillas, virus, etc. El agua se encuentra en la materia viva en tres formas: — Como agua circulante libre; por ejemplo, en la sangre. — Como agua de imbibición. Es difícil de extraer. Se necesita calentar la materia hasta unos 100º C. — Como agua combinada. No es extraíbles por desecación. Aparece en las reacciones químicas. Ello explica por qué algunos animales no necesitan ingerir agua, ya que la obtienen a partir de los alimentos. Por ejemplo, el pececillo de plata puede vivir sólo con algo de harina, papel y azúcar. Durante el metabolismo aparece el agua. El agua a temperatura ambiente es líquida, al contrario de lo que cabría esperar, si se considera que otras moléculas de parecido peso molecular, como el SO2, el CO2, el NO2, etc., son gases. Este comportamiento físico se debe a que en la molécula de agua los dos electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el átomo de oxígeno, por lo que en la molécula aparece un polo negativo (donde hay mayor densidad electrónica) y un polo positivo (donde, al haber menor densidad electrónica, predominan las cargas positivas de los núcleos de hidrógeno). Las moléculas de agua son, pues, dipolos. Entre ellas se establecen fuerzas de atracción, llamadas puentes de hidrógeno, formándose grupos de 3, 4 y hasta poco más de 9 moléculas. Con ello se alcanzan pesos moleculares elevados y el H2O se comporta como un líquido. Estas agrupaciones duran fracciones de segundo (de 10-10 a 10-21 s), La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 14 lo cual infiere al agua todas sus propiedades de fluido. En la realidad coexisten estos pequeños polímeros de agua con moléculas aisladas que rellenan los huecos. Debido a sus peculiares propiedades, el agua desempeña funciones muy importantes en el organismo vivo. Las principales son: — Función disolvente de las sustancias. Es básica para la vida, ya que prácticamente todas las reacciones biológicas se dan en el estado líquido. — Función de transporte de las sustancias desde el exterior al interior del organismo y en el propio organismo. — Función estructural. El volumen y forma de las células que carecen de membrana rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua, las células pierden su turgencia natural, se arrugan y hasta pueden llegar a romperse (lisis). — Función mecánica amortiguadora. Por ejemplo, los vertebrados poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos. — Función termorreguladora. Se debe a su elevado calor específico v a su elevado calor de vaporización. Por ejemplo, los animales al sudar expulsan agua, la cual para evaporarse toma calor del cuerpo y, como consecuencia, éste se enfría. LAS SUSTANCIAS MINERALES Las sustancias minerales se pueden encontrar en los seres vivos de tres formas: precipitadas, disueltas en forma de iones o asociadas a sustancias orgánicas. Las sustancias minerales precipitadas constituyen estructuras sólidas, insolubles, con función esquelético. Por ejemplo, el carbonato cálcico en as conchas de los moluscos, el fosfato cálcico y el carbonato cálcico que, depositados sobre el colágeno, constituyen los huesos, etc. Las sales minerales disueltas dan lugar a aniones (iones negativos: Cl-, SO42-, CO32- , etc.) y cationes (iones positivos: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, etc.). Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo y ayudan a mantener también constante su acidez. Por otro lado, cada uno desempeña funciones específicas v a veces antagónicas. Por ejemplo, el K+ aumenta la turgencia, mientras que el Ca2+ la disminuye. Ello se debe a que el K+ favorece la captación de moléculas de agua (imbibición) alrededor de las partículas citoplasmáticas, mientras que el Ca2+ la dificulta. Otro ejemplo es el corazón de la rana, que se para en sístole si hay exceso de Ca2+ y en diástole si el exceso es de K+. El Ca2+ y el K+ son, pues, iones antagónicos. El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Una variación en dicho equilibrio iónico provoca alteraciones en la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de las células. Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas, como las fosfoproteidos (P), junto a lípidos, como los fosfolípidos (P), y junto a glúcidos. Las principales funciones de las sustancias minerales en organismos son: — — formar estructuras esqueléticas. mantener un grado de salinidad en el medio interno. La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 15 — acciones específicas: por ejemplo, el ion ferroso Fe2+ es necesario para sintetizar la hemoglobina, el yodo es imprescindible en la hormona tiroidea, el ion magnesio Mg2+ es necesario en la clorofila, etc. CUESTIONES 1. ¿Qué diferencia existe —en cuanto a estructura, materia y organización— entre un animal vivo y uno que acaba de morir por paralización del corazón? 2. ¿En qué se distinguen el crecimiento de una planta y el crecimiento de unos cristales de sal al evaporarse el agua? 3. ¿Qué seres vivos tienen estructura procarióticas? 4. Define relacionarse, taxonomía, fisiología, biocenosis y bioelemento. 5. Cita cuatro oligoelementos en el hombre. 6. ¿Qué diferencia hay entre biomolécula y molécula orgánica? 7. Nombra las principales funciones del agua en los seres vivos. 8. Haz un esquema del tema donde aparezcan todos los conceptos que consideres básicos. NOTA: En la página siguiente incluimos un cuadro que indica la clasificación de los seres vivos: La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 16 D. = División T. = Tipo St. = Subtipo Cl. = Clase La cèl·lula. Viatge al centre de la vida . 17
