Biología Semana: 1 ASPECTOS GENERALES DE LA BIOLOGÍA CELULAR MODERNA Y LOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN QUÍMICO Y CELULAR 1.1. ASPECTOS GENERALES DE LA BIOLOGÍA CELULAR MODERNA 1.1.1. BIOLOGÍA - ETIMOLOGÍA. Bios: vida Logos: estudio/tratado La biología es la ciencia natural que tiene como objeto de estudio el mundoviviente, en todas sus formas, su estructura, funciones, crecimiento y su continua interacción con el los demás organismos y con el medio ambiente en que se desempeñan. Según Campbell, (2001, p.20), citado por Altamar, A., y De Fábrega, R. (2012), nos dice: “Que la biología puede definirse como la ciencia de la vida, porque su objeto de investigación son los seres vivientes” (p.10). Los aportes de la biología celular moderna se basan en los conocimientos científicos brindados por las Ciencias biológicas como la citología, la bioquímica y la genética, destacando en citología ,la observación de células (Hooke,1665),en bioquímicacuando se sintetizó la urea en el laboratorio por medio de F.Wohler en 1828,metabolismo bacteriano por Pausteur,en 1860,formulación de la Teoría Celular en1839 por Scheleiden y Schwaan ,así mismo en 1880 la descripción de las mitocondrias por Kolliken,en 1860,identificación de los cromosomas por Fleming,1882,y a nivel de la genética con la formulación de las Leyes de Mendel en 1865 y el descubrimiento del ADN, por Miescher en 1869.También la fermentación con extractos naturales en 1907,el descubrimiento de la glucólisis por Svedberg,en 1925 y del Ciclo de Krebs en 1950,en citología también la descripción del complejo de Golgi la invención del microscopio electrónico en 1931,la estructura de doble hélice de ADN por Watson y Crick en 1953,descubrimiento del código genético en 1966,la ´producción de animales 1 Biología transgénicos, clonación de la oveja Dolly en 1996,secuenciación del genoma humano en 1990-2000) y en la actualidad se está desarrollando la bioinformática en análisis de secuenciación. (Pérez, 2014, pp.13-14). 1.1.2. RAMAS DE LA BIOLOGÍA Tenemos varias formas de división de la biología, algunos autores consideran la división por el ser vivo tratado y el tema tratado, pero vamos a considerar la clasificación según Pérez (2014) que clasifica a la biología en dos ramas a saber: biología general y biología especial el cual detallamos en el siguiente cuadro: Ramas de la biología Comprende Descripción Estudia Biodinámica los tejidos y órganos en funcionamiento. Es estudiada por la Fisiología. Estudia la composición química de los Bioquímica seres vivos y las reacciones químicas que ocurren dentro de ellos. Estudia los fenómenos físicos y las leyes Biofísica que pueden ser aplicadas en sus funciones vitales, es decir las leyes de la Biología General: energía en su aplicación directa o estudia los indirecta a los seres vivos. fenómenos vitales Estudia el origen y la evolución de los comunes a todos los seres vivos en el tiempo y el espacio. seres vivos Biogenia Comprende la Ontogenia(desarrollo embrionario y post embrionario y la Filogenia(origen y evolución de las especies) Estudia la clasificación de los organismos. Biotaxia Se divide a su vez en Taxonomía y Biogeografía. Estudia las relaciones recíprocas entre el Ecología ser vivo y el medio ambiente en que 2 Biología vive, y también las relaciones entre seres vivos solamente. Estudia las leyes de la herencia y la Genética variación genética en los seres vivos, basándose en la acción de los genes. Citología Estudio de la célula Histología Estudio de los tejidos Anatomía Estructura a nivel orgánico Estudia a los animales. Biología Especial: Zoología Aves:ornitología,Peces:ictiología,Insectos Estudia las :entomología, diferencias y mastozoología,Reptiles:herpetología semejanzas entre los ,etc.. diversos organismos Mamíferos Botánica Estudia las plantas Antropología Ciencia que trata de los : aspectos biológicos y sociales del hombre Estudia a los microbios o protistas: Microbiología -Bacteriología: bacterias Micología: hongos. Virología: virus. Parasitología : protozoarios parásitos Tabla N°01. Elaboración propia. En la tabla se puede apreciar las ramas de la biología y su descripción o estudio. Adaptado de Pérez, M (2014), La célula. 1.1.3. LA TEORÍA CELULAR Según Pérez, (2014), todos los avances presentados hasta 1839 fueron analizados por Sachwaan y reunidas en una teoría unificada como la Teoría Celular que aborda la organización celular. Sus postulados se han mantenido a través de la historia y continúan siendo la base del entendimiento de la importancia de las células y de la Biología Celular. La teoría fue motivo de análisis a lo largo del siglo XIX, pero fue el Microbiólogo Louis Pasteur el que, con sus trabajos de investigación sobre la multiplicación de los microorganismos unicelulares, logro confirmar lo afirmado en la Teoría Celular. (p.14) Los postulados de la Teoría Celular planteados a través del tiempo son los siguientes: Todos los seres vivos están formados por una o más células. 3 Biología La célula constituye la unidad básica de la materia viva es decir la unidad estructural, funcional y genética de todos los organismos, y una sola célula puede ser capaz y suficiente para originar un organismo. Todas las células se originan únicamente a partir de otra célula preexistente y su perpetuidad se mantiene a través de su material genético. 1.1.3.1. ANÁLISIS DE LA TEORÍA CELULAR: - Nos explica que todos los seres vivos están formadas por células y constituyen la unidad básica estructural y funcional en los organismos pluricelulares. - Permite comprender la importancia de la división celular al asegurar la continuidad genética entre células progenitoras y sus descendientes. Conclusión: La vida del organismo depende exclusivamente del funcionamiento y el control de los diferentes mecanismos que se dan en las células. 1.1.3.2. IMPORTANCIA DE LA BIOLOGÍA EN LAS CIENCIAS BIOMÉDICAS. Después de los diversos postulados sobre la teoría celular ésta oriento en gran medida el descubrimiento de la microscopía electrónica que permitió conocer la ultraestructura celular y con ella las causas de las innumerables enfermedades que aquejan a la humanidad. Es importante destacar que los aportes de la citología, la bioquímica y la genética han enriquecido el estudio de la biología celular para poder explicar las Complejas funciones que se llevan a cabo para mantener la vida y el descubrimiento de la etiología de las enfermedades que aquejan a la humanidad. También es importante señalar el papel de la microbiología en el descubrimiento de las enfermedades infecciosas, en la capacidad de producir ciertos antibióticos por parte de algunas especies de hongos, vacunas y otros productos biológicos así mismo el aporte a la ingeniería genética, a la ingeniería ambiental para su aporte a la salud ambiental y su influencia en la mitigación de los impactos ambientales generados por el hombre y que tiene como consecuencia la producción de agentes contaminantes que influyen en la salud del ser humano y de los ecosistemas que sostienen la vida. La Biología como ciencia básica es un soporte muy importante para el desarrollo de 4 Biología otras ciencias como la medicina, la biotecnología y otras ciencias biomédicas. 1.2. NIVELES DE ORGANIZACIÓN QUÍMICO Y CELULAR Todo el mundo, hoy en día coincide que el hombre, vegetales y animales son seres vivos. Sin embargo hasta la fecha es difícil aun hacer una definición formal de lo que es la vida. Figura Nº 01. En el esquema se puede observar la estructura de una célula animal Fuente: Villee, C. A. Biología 1.2.1. NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS La complejidad de la materia viviente tiene una organización, una jerarquía en la que es necesario establecer niveles que puedan facilitar su estudio y comprensión, para ello también es necesario conocer las dimensiones o tamaño de los diferentes niveles de organización de la materia viva. De acuerdo a ello es importante señalar el orden creciente de complejidad, el cual lo destacamos en la siguiente tabla: Niveles de complejidad Ejemplos prácticos Átomos C,H,O,N,P,S,Ca,Fe,K,Co,Mg,Mn,Cl,Na Moléculas O2,CO2,Sales minerales,proteínas,azúcares Orgánulos Mitocondrias,ribosomas,lisosomas,vacuolas Células Glóbulos rojos,leucocitos,nefronas,neuronas Tejidos Epitelial,sangre,muscular,nervioso,xilema Órganos Corazón,riñón,ojo,páncreas,raíz,hojas,tallo Sistemas Circulatorio,nervios,digestivo,endocrino Individuo Hombre,Vaca,Algarrobo,Aedes,Pava aliblanca Población Población humana,Rodeo,Algarrobales,etc Comunidad Comunidad biológica interactuando Ecosistemas Ciudad,pastizal,bosque,río,océano Biosfera Interacciones a escala global Tabla N°02. Elaboración propia. En la tabla se puede aprecia los niveles de organización de los seres vivos. Adaptado de Pérez, M (2014), La célula. 5 Biología Otros autores consideran los siguientes niveles muy definidos a saber. Como es el: 1. Nivel químico agrupa a los materiales, expresado en átomos y moléculas 2. Nivel biológico que va desde la célula hasta la formación del individuo, 3. Nivel Ecológico, que comprende la relación del individuo con el entorno, hasta el nivel de biosfera. Las características distintivas de casi todos los seres vivos incluyen los siguientes aspectos: Organización precisa, una variedad de reacciones químicas que denominamos metabolismo, una capacidad de mantener un medio interno apropiado (proceso denominado homeostasis), movimiento, capacidad de respuesta, crecimiento, reproducción, herencia y adaptación a los cambios del ambiente. El nivel químico es el nivel de organización más simple. Este nivel abarca las partículas básicas de toda la materia, los átomos, y sus combinaciones, llamadas moléculas. La asociación de moléculas pequeñas en estructuras más grandes da lugar a macromoléculas, tales como las proteínas (formadas por la asociación de aminoácidos), los polisacáridos (que resultan de la unión de muchas moléculas de monosacáridos o azúcares) y los ácidos nucleicos (que se forman por condensación de nucleótidos, que a su vez están constituidos por una base nitrogenada, un azúcar y ácido fosfórico). En algunos casos macromoléculas iguales o distintas se asocian en estructuras denominadas supra macromoleculares, como ocurre en la pared celular de los vegetales, donde predomina la celulosa, pero además hay hemicelulosas y pectinas. Al nivel celular se observa que hay muchas moléculas diversas que pueden asociarse entre sí hasta obtener estructuras complejas, y altamente especializadas, a las que se denomina organelos u orgánulos. La membrana celular que rodea a la célula y el núcleo que contiene el material hereditario son ejemplos de organelos. La célula en sí es la unidad básica estructural y funcional de la vida. Cada célula está formada por una cantidad discreta de citoplasma gelatinoso, rodeado por una membrana celular. Los organelos están aparentemente suspendidos en el citoplasma, pero como veremos su posición depende de la actividad de una complicada malla de diferentes tipos de proteínas que constituyen el citoesqueleto. 6 Biología Figura Nº 02: El gráfico muestra los diferentes niveles de organizaciónque conforma el ser vivo. Fuente: Villee, C. A. Biología Los organismos interactúan entre sí y originan niveles de organización biológica aún más complejos, como el nivel ecológico. Todos los miembros de una especie que ocupan la misma área geográfica al mismo tiempo forman una población. El ambiente ocupado por un organismo o población es su hábitat. Las poblaciones de organismos que viven en una región determinada y que interactúan entre sí al mismo tiempo, constituyen una comunidad. Así, en una comunidad pueden reunirse centenares de tipos diferentes de formas de vida. La ciencia que estudia la manera en que los organismos de una comunidad se relacionan entre sí y con su medio abiótico recibe el nombre de Ecología. Una comunidad, junto con su medio abiótico, se denomina ecosistema. 1.2.2. BIOELEMENTOS Los elementos químicos que ocupan los seres vivos son integrantes comunes de la corteza terrestre, si bien en la materia viva y en el mundo inanimado se halla en proporciones muy diferentes, en ambos casos el agua es la sustancia predominante por la que los elementos Hidrogeno (H) Y Oxigeno (O), ocupan los dos primeros puestos en orden de abundancia. Altamar, A., y De Fábrega, R. (2012),nos dice que todo tipo de moléculas que forman parte de los materiales biológicos se les conocen con el nombre de Biomoléculas ó también conocidos como principios inmediatos ,los cuales se estructuran al unirse químicamente determinados elementos químicos, los llamados bioelementos,según el 7 Biología autor la materia viva está constituida en un 96% por 6 bioelementos,llamados primarios : C,H,O,N,P, y S. Así mismo considera que todo tipo de materia biológico orgánica contiene los tres primeros; las proteínas tiene siempre ,además N ,en cuanto a los ácidos nucleicos, siempre el fósforo (P) ,que además también forma del ATP molécula altamente , y de las membranas celulares en forma de fosfolípidos,en cuanto al azufre (S) forma parte de dos aminoácidos importantes :la metionina y la cisteína. El resto de bioelementos se llaman secundarios, aunque su proporción es pequeña en los materiales biológicos a veces es alta en algunos casos como por ejemplo en los huesos,conchas de moluscos,pero generalmente son imprescindibles para los procesos biológicos ,tal es el caso del Hierro (F) para la formación de hemoglobina,citocromos de la cadena respiratoria ,el Magnesio (Mg) ,presente en la clorofila de los organismos fotosintéticos,el Sodio (Na) y el Potasio(K),importantes para la transmisión nerviosa,el Calcio (Ca) para la contracción muscular,la coagulación sanguínea,etc.También dentro de este grupo se encuentran todos los elementos que no siempre se encuentran en todos los materiales biológicos y cuya proporción es inferior al 0,1%,en este caso toman el nombre de oligoelementos( p.30). 1.2.3. BIOELEMENTOS QUE INTEGRAN EL CUERPO HUMANO. La composición en bioelementos de todos los seres vivos es básicamente similar aunque en casos concretos puede existir cierta discrepancia. El cuerpo humano contiene los mismos elementos que el resto de los seres vivos. Entre las funciones de los bioelementos en el hombre tenemos: A. Función plástica: también llamada estructural, existe elementos que integran la arquitectura del cuerpo humano (huesos, tejidos fibrosos, tegumentos, etc.) B. Función catalítica: Elementos muy variados, a veces en concentración pequeñísimas, desarrollan funciones específicas así por ejemplo; el hierro activa el transporte de oxígeno y de electrones, el zinc es parte integrante de las hormonas tiroides, el cobalto se halla en la molécula d la vitamina B12. C. Función osmótica: Varios elementos intervienen en forma iónica, en fenómenos homeostáticos (distribución de agua en compartimientos intra y extra celulares), mantenimiento de potencial de membrana. Reviste de importancia el Na Ɨ (extracelular), el KƗ (intracelular) y el Cl- (extracelular). 8 Biología 1.2.3.1. BIOELEMENTOS PRIMARIOS: Estos son los más abundantes en los seres vivos. Estos son: C, H, O, N (Organógenos, porque forman biomoléculas orgánicas), S y P. Representan cerca del 98% en peso de la materia viva. Composición elemental (en %) de los bioelementos primarios en seres vivos: Biolementos Humanos Plantas Bacterias O 62,81 77,80 73,68 C 19,37 11,34 12,14 H 9,31 8,72 9,94 N 5,14 0,83 3,04 P 0,63 0,71 0,60 S 0,64 0,10 0,32 Tabla 03. Porcentajes de Bioelementos en los seres vivos. Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular Nota: Los números no suman el 100% debido a que hay pequeñas cantidades de otros elementos, como el Fe por ejemplo. 1.2.3.2. BIOELEMENTOS SECUNDARIOS: Son Na, K, Cl, Ca, Mg, entre los principales. Otros son denominados oligoelementos debido a que se encuentran en proporciones inferiores a 0,1%: Cu, Fe, Zn, Mn, Co, I, Se, V, B, Mo, F, Si. 9 Biología 1.2.3.3. IMPORTANCIA DE ALGUNOS BIOELEMENTOS: Bioelemento Importancia Oxígeno Constituyente del agua y moléculas orgánicas; funciones en la respiración celular. Carbono Presente en cada molécula orgánica. Constituyente principal de la materia orgánica. Hidrógeno Constituyente del agua, todos los alimentos y mayoría de moléculas orgánicas. Parte fundamental en el enlace de bases nitrogenadas en los ácidos nucleicos. Nitrógeno Elemento característico de proteínas y ácidos nucleicos; importante en la biogénesis de estas moléculas. Calcio Catión más abundante del cuerpo. Constituyente de huesos y dientes (99%), músculos. Se absorbe en presencia de la vitamina D. Requerido en: coagulación sanguínea, endocitosis, exocitosis, contracción muscular. Deficiencia: Osteomalacia, osteoporosis y raquitismo. Fósforo Integra la estructura de todas las células (fosfato). Forma parte de los huesos y dientes (80%), del ADN y ARN, ATP, enzimas; intervienen en la transmisión de impulsos nerviosos. Sodio Catión principal del líquido intracelular y más abundante del líquido extracelular. Regula la presión osmótica, equilibrio ácido base (junto al Cl- y HCO3 ); función nerviosa (transmisión de impulsos) y contracción muscular. Deficiencia: calambres musculares, deshidratación. Potasio Presente en los líquidos extracelular e intracelular (más abundante). Función: Contracción muscular y conducción del impulso nervioso. Cloro Anión más abundante del líquido extracelular. Función: Presión osmótica, equilibrio ácido base, formación del HCl del estómago. Magnesio Componente de muchas proteínas (insulina) y algunas vitaminas (tiamina y biotina). Cobalto Componente de la vitamina B12 , necesario para que se complete la eritropoyesis Cobre Iodo En enzimas oxidasas (citocromo oxidasa). Necesario, junto con el hierro, para la síntesis de hemoglobina. Antioxidante. Componente indispensable de hormonas tiroideas (tiroxina, triyodotironina). Deficiencia: bocio, cretinismo endémico. Hierro Parte esencial de la hemoglobina (66%), enzimas respiratorias (citocromos). Deficiencia: anemia. Flúor Como fluoruros. Incrementa la dureza de huesos y dientes (inhibe cariogénesis). 10 Biología Azufre Componente de la queratina (proteína de la piel, uñas, plumas y pelo), caseína y proteínas contráctiles del músculo. Manganeso Forma parte de varias enzimas (metaloenzimas: hidrolasas, cinasas, transferasas) y activa otras. Participa en el proceso de crecimiento, reproducción y lactación. Antioxidante. Tabla 04. En la tabla se puede apreciar los Bioelementos presentes en el hombre. Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular: 1.2.4. BIOMOLÉCULAS (PRINCIPIOS INMEDIATOS) Moléculas básicas de la materia viva; se originan a partir de los bioelementos. Según el tipo de enlace y presencia de carbono se clasifican en Inorgánicas y Orgánicas. 1.2.4.1. Biomoléculas Inorgánicas: A) El Agua: Componente más abundante de la célula y constituye la mayor ++ parte de la masa de los organismos vivos. Es dipolar y altamente cohesiva. Importancia biológica: Principal disolvente de sustancias orgánicas e inorgánicas. Regula la temperatura corporal (termorregulador). Vehículo de transporte de moléculas. Participa en muchas reacciones biológicas: fotosíntesis, respiración, metabolismo. Lubricante de diversas regiones del cuerpo. Mantiene la forma y tamaño de células, tejidos y órganos (turgencia). B) Sales Minerales: Se encuentran bajo tres formas en los seres vivos: a) Sales Minerales Disueltas: En medio acuoso formando iones o electrolitos: Cationes: Na+, K+, Ca+2, Mg+2 Aniones: Cl-, SO4-2, PO 4-3, HCO 3-, CO 3-2 Estas sales minerales intervienen en la regulación de actividades enzimáticas, en procesos biológicos como la presión osmótica y del pH de los medios biológicos, también generan potenciales eléctricos y mantiene la saludad de distintos medios biológicos b) Sales Minerales Precipitadas: En el citoplasma y superficie celular formando estructuras sólidas, insolubles y estructuras esqueléticas. Ejemplo: Ca3 (PO4)2 en huesos; CaCO3 en valvas de moluscos, crustáceos y dentina (dientes); SiO2 en espículas de esponjas. c) Sales minerales asociadas a moléculas orgánicas como por ejemplo las fosfoproteínas, fosfolípidos,etc . 11 Biología En conclusión, según, Altamar, A., y De Fábrega, R. (2012), las principales funciones que cumplen las sales minerales son: 1. Acción catalítica, se da el caso de algunos iones como el Zn 2+,Mn2+,Mg2+, y Cu2+,que actúan como cofactores enzimáticos, siendo necesarios para la actividad biológica de ciertas enzimas. 2. Activa participación del Ca2+ del calcio en la contracción muscular y en los procesos de de coagulación sanguínea. Interviene en el proceso de la fotosíntesis. 3. Interviene en los procesos de fotosíntesis, ya que el Ion Mg 2+ forma parte de la clorofila. 4. Función osmótica, y que los iones intervienen en la distribución del agua intra y extra celulares. Por ello los Iones como Na +, K +, Cl- Ca 2+, participan en la generación de gradientes electroquímicas y son imprescindibles, en el potencial de membrana, en la transmisión del impulso nervioso. 12 Biología 1.2.4.2. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS. Figura Nº 03. En el esquema se resalta la clasificación de los carbohidratos. Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular 13 Biología Figura Nº 04. En el gráfico se muestra la clasificación de los lípidos Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular 14 Biología Figura Nº 05. En el cuadro se observa la clasificación de las proteínas. Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular Fuente: Karp, G. Biología Celular y Molecular 17
