Fecundación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desarrollo embrionario . . . . . . . . . . . . . . . . 184 187 3.3 Desarrollo e importancia de la Genética . . . . . . Desarrollo histórico de la Genética . . . . . . Importancia de la Genética. . . . . . . . . . . . . 190 190 191 3.4 Herencia mendeliana y teoría cromosómica de la herencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herencia mendeliana . . . . . . . . . . . . . . . . . Teoría cromosómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . Determinación del sexo . . . . . . . . . . . . . . . 201 201 212 214 Herencia molecular: ADN y ARN . . . . . . . . . . . . Estructura general de los ácidos nucleicos . Funciones generales de los ácidos nucleicos 224 224 232 3.5 UNIDAD 6 Los seres vivos y su ambiente UNIDAD 4 Evolución de los seres vivos 274 INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 4.1 Evidencias de la evolución . . . . . . . . . . . . . . . . . Pruebas directas de la evolución . . . . . . . . Pruebas indirectas de la evolución . . . . . . . 276 276 281 Antecedentes y desarrollo de las teorías de la evolución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 4.2 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= UNIDAD 5 Historia evolutiva de la diversidad biológica 3I9EACC 302 INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 5.1 Diversidad biológica y Taxonomía . . . . . . . . . . . Taxonomía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 304 5.2 Los orígenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teorías acerca del origen del Universo y del Sistema Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teorías del origen de la vida . . . . . . . . . . . . Teoría físico-química de Oparin-Haldane . . Las primeras células . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Los reinos del mundo vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . ¿Cinco o seis reinos? . . . . . . . . . . . . . . . . . Virus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Priones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bacterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Protista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esporozoarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algas multicelulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Fungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Plantae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Animalia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 319 319 329 331 335 338 341 343 345 354 5.3 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 308 310 313 315 I 7 = 378 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 6.1 Ecología de Poblaciones y Comunidades . . . . . . . La Ecología y su objeto de estudio. . . . . . . Ecología de poblaciones. . . . . . . . . . . . . . . Características y dinámica de las poblaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crecimiento de la población . . . . . . . . . . . . Potencial biótico y resistencia ambiental . . Curvas de crecimiento poblacional. . . . . . . Relaciones interpoblacionales . . . . . . . . . . Ecología de comunidades. . . . . . . . . . . . . . Características y dinámica de las comunidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 380 381 6.2 Estructura de un ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . Factores que integran un ecosistema . . . . . Flujo de energía y materia en el ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relaciones tróficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pirámides alimenticias o ecológicas . . . . . . Productividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ciclos biogeoquímicos . . . . . . . . . . . . . . . . Ciclos atmosféricos o gaseosos . . . . . . . . . Ciclos sedimentarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 393 6.3 Ecosistemas acuáticos y terrestres . . . . . . . . . . . . Biomas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomas terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 406 411 6.4 Recursos naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recursos renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recursos no renovables . . . . . . . . . . . . . . . Recursos inagotables . . . . . . . . . . . . . . . . . Otras fuentes de energía . . . . . . . . . . . . . . Manejo de los recursos naturales . . . . . . . . Políticas para proteger el ambiente . . . . . . Desarrollo sustentable . . . . . . . . . . . . . . . . 420 420 424 426 427 427 428 431 6.5 Problemas ecológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uso irracional de los recursos . . . . . . . . . . . Erosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contaminación atmosférica . . . . . . . . . . . . Problemas ecológicos atmosféricos . . . . . . Contaminación del agua . . . . . . . . . . . . . . . Contaminación del suelo . . . . . . . . . . . . . . 434 434 434 436 437 440 442 445 GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 382 384 385 387 387 388 389 396 397 398 399 400 400 404 1 La Biología como ciencia 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C ¡Echa un vistazo a lo que aprenderás! ¿Por qué se considera que la Biología es una ciencia? ¿Qué relación existe entre la Biología y los problemas de tu comunidad y de la sociedad en general? ¿Cuáles son las ramas de la Biología y cómo interactúan entre sí para estudiar a los seres vivos? ¿Cuál es la diferencia entre los métodos experimental, observacional y comparativo utilizados en la Biología? ¿Qué características comunes de los seres vi- 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= vos los distingue de los objetos sin vida? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Biología general INTRODUCCIÓN Vivimos rodeados de miles de especies de plantas y animales de los cuales dependemos para nuestra subsistencia. Podemos estudiar a los seres vivos, incluyendo al hombre, gracias a las bases que nos proporciona la Biología. El estudio de esta ciencia abarca varios aspectos. Uno de ellos es conocer la estructura, funcionamiento y cuidado de nuestro organismo. Otro aspecto importante es comprender los descubrimientos biológicos que han mejorado la calidad de vida de los seres humanos (fig. 1.1); el uso de vacunas y de antibióticos, así como el conocimiento de las causas de las enfermedades, han contribuido a que tengamos mayor esperanza de vida. Para sobrevivir necesitamos alimentarnos, y la base de nuestra alimentación la constituyen los vegetales y los animales. Los conocimientos biológicos se aplican en muchos procesos, desde la obtención de nuevas especies que poseen un alto rendimiento nutritivo, hasta la industrialización de productos alimenticios de consumo diario. La Biología también tiene por objeto la conservación del ambiente y el adecuado aprovechamiento de los recursos naturales, ambos temas resultan de gran importancia para la supervivencia de la vida en la Tierra. En el bachillerato, el estudio de la Biología contribuye a adquirir conocimientos sobre nuestro mundo y ampliar nuestro panorama general de la cultura. Además, algunas profesiones como Medicina, Astronomía, Veterinaria e Ingeniería Bioquímica, entre otras, requieren de conocimientos básicos en el campo de la Biología. En esta unidad aprenderás el objetivo de la Biología y los retos que enfrenta en la actualidad, sus disciplinas y ciencias auxiliares, los antecedentes históricos de esta ciencia y los métodos de estudio que emplea para la obtención de nuevos conocimientos que han contribuido al desarrollo y progreso de la humanidad. 1.1 CARÁCTER CIENTÍFICO DE LA BIOLOGÍA La Biología es la ciencia que estudia los seres vivos. Para entender mejor este concepto aparentemente sencillo, es necesario definir primero qué es la ciencia. Figura 1.1 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La ciencia es el conjunto de conocimientos sistemáticos y ordenados que permiten explicar los fenómenos por sus principios y causas, para descubrir leyes generales. Esta definición señala que para la ciencia es importante establecer una sistematización, lo cual significa que los conocimientos científicos deben guardar un orden y relación entre sí. Otra característica fundamental de la ciencia es la objetividad, esto es, que los conocimientos deben centrarse en los objetos que se estudian y no en los sujetos que realizan la investigación. Además, toda ciencia es metódica, ya que sigue ciertos procedimientos, que conducen a la obtención de nuevos conocimientos. 0 G IA? P La Biología es una ciencia que reúne las características de ser explicativa, sistemática, objetiva y de seguir un método para conocer todo aquello relacionado con su objeto de estudio, que son los seres vivos. La Biología. Su estudio ayuda a mejorar la calidad de vida de los seres vivos. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G 4=: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E La Biología es la ciencia que estudia la estructura, función y evolución de los seres vivos y sus relaciones con el medio que los rodea. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia A lo largo de la historia, los investigadores en el campo de la Biología se han planteado numerosas interrogantes, cuyas respuestas han conformado una ciencia muy amplia y compleja que trata de explicar la estructura y función del mundo vivo. VOCABULARIO CIENTÍFICO En el estudio de toda ciencia se emplea una terminología específica que, en el caso de la Biología, es muy extensa. Para facilitar el manejo de los términos biológicos, es conveniente conocer el significado de algunos prefijos (partículas lingüísticas que se colocan al principio de algunas palabras) y sufijos (partículas que se encuentran al final) de uso común en la Biología. Por ejemplo, la palabra Biología está formada en dos partes: la partícula bio, proveniente de la raíz etimológica bios, que significa vida y logía que se deriva de la palabra logos, que significa estudio o tratado. “Bio”, en este caso, es un prefijo, y “logía” es sufijo; al combinar ambos significados, definimos Biología como el estudio o tratado de la vida. De la misma manera, la palabra citología está compuesta por el prefijo cito, que significa célula y logía, el estudio de. Por tanto, la Citología se puede definir como el estudio de las células. En el cuadro 1.1 encontrarás una lista de prefijos y sufijos comunes. Prefijo Significado Prefijo Significado a sin micro pequeño anti contra, opuesto poli muchos auto por sí mismo proto primero bio vida pseudos falso cito célula vita vida cloro verde zoo animal di, bi dos eu verdadero Sufijo Significado fito vegetal dermis capa foto luz fago comida hemo sangre fase estado herb relativo a plantas filo que la atrae, afín a hetero diferente gen origen, producción hidro agua itis inflamación hiper por encima de lisis rompimiento hipo por debajo de logia estudio de homo igual osis condición, enfermedad macro grande trofos alimento 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 1.1 Prefijos y sufijos de uso común en la Biología 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 5 Biología general Figura 1.2 PIENSA RÁPIDO Forma la palabra ¿Qué significa? Foto + metro ________________________ ___________________________________________ Micro + podo ________________________ ___________________________________________ Auto + trofo ________________________ ___________________________________________ HISTORIA Y DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA A continuación presentamos un breve panorama del desarrollo histórico de la Biología, señalando por su época a los principales científicos que han contribuido a enriquecer el estudio de la vida. Hipócrates. Fue el primer gran médico de la antigüedad (siglo IV a.C. ). Etapa antigua Figura 1.3 Durante la prehistoria, predominaron las ideas mágicas y religiosas para explicar los fenómenos biológicos. No fue sino hasta el siglo vi a.C., cuando en Grecia algunos filósofos llamados naturalistas, como Tales de Mileto y Anaximandro, explicaron la naturaleza por medio de sus causas materiales. En Atenas se empezó a vislumbrar la especialización científica, principalmente de dos campos: la medicina y las matemáticas. En el siglo vi a.C. aparecieron los primeros documentos sobre medicina atribuidos a Hipócrates (fig. 1.2), quien estudió algunos problemas de la reproducción y la herencia. Sus escritos muestran un alto nivel científico, ya que están basados en una minuciosa observación del cuerpo humano. Mono de Gibraltar. I= =IM= Figura 1.4 Sin lugar a dudas, el primer gran descubrimiento biológico fue la agricultura, actividad que permitió al hombre dejar de ser nómada. Una vez sedentario, el hombre empezó a observar los fenómenos de la naturaleza y de su propio organismo. Años más tarde surgió uno de los grandes filósofos de la antigüedad, Aristóteles, quien fue el pionero del método científico basado en la observación y la experimentación. También se le considera padre de la zoología por sus estudios de los animales, ya que describió la forma y conducta de algunos de ellos e hizo un primer intento de clasificación en la escala zoológica. Asimismo, realizó investigaciones sobre el origen de los organismos apoyando la idea de la generación espontánea. De manera general, se considera a Aristóteles como fundador de la Biología y uno de los grandes hombres que incursionó en el estudio de la mayoría de las ciencias. P La antigüedad fue seguida por la Edad Media, época en la que no hubo gran interés por la investigación científica. No se recurrirá a la razón y si alguien ponía en duda los conocimientos científicos basados en creencias religiosas, era rápidamente acallado y castigado. 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? El último médico notable de la antigüedad fue Claudio Galeno (siglo ii a.C. ). En su época estaban prohibidas las disecciones humanas y sólo podían ser practicadas en cadáveres de náufragos arrojados a la playa o de viajeros que morían en el camino. Por ello, muchas de la disecciones que efectuó Galeno fueron realizadas en monos (fig. 1.3) y, aunque sus escritos contenían varias afirmaciones erróneas, se le consideró una autoridad en anatomía por más de 10 siglos. Renacimiento El hombre universal. Dibujo realizado por Leonardo Da Vinci, quien aplicó sus estudios de anatomía en sus técnicas artísticas. 3I9EACC Con el Renacimiento (siglos xv y xvi) se inició un auge en las ciencias y las artes. Algunos grandes artistas, como el italiano Leonardo da Vinci, tuvieron interés en el estudio de la naturaleza, y en particular del cuerpo humano (fig. 1.4). En el siglo xvi, el médico belga Andreas Vesalio realizó disecciones en cadáveres humanos que 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G 6=: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia lo llevaron a corregir los errores de anatomía de Galeno, y en 1628 Wiliam Harvey, médico inglés, describió la circulación sanguínea (fig. 1.5). Figura 1.6 Uno de los inventos más importantes del siglo xvii fue el microscopio, cuya creación se atribuye a los holandeses Hans y Zacarías Janssen, quienes no eran investigadores sino talladores de lentes. Al poner una lente sobre otra ante un pequeño objeto descubrieron que se veía considerablemente aumentado. Éste fue el primer microscopio compuesto rudimentario que se utilizó. Robert Hooke, físico y astrónomo británico, fue de los primeros investigadores que utilizó el microscopio. En 1665 dio nombre de “células” a las estructuras alargadas, en forma de celdas de un panal, que observó cuando investigaba un corte de corcho muy delgado bajo el microscopio (fig. 1.6). Otra figura importante en la microscopia fue el holandés Anton Van Leeuwenhoek, un hábil tallador de lentes con las que construyó un microscopio rudimentario. En él observó por primera vez ojos de animales, glóbulos rojos y microorganismos en una gota de agua (fig. 1.7). Figura 1.5 Célula. Hooke dio el nombre de células a las estructuras que observó en un corte de corcho. Figura 1.7 a Lente Portaobjetos 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Tornillos 0 G IA? P b Microscopios antiguos. a) De Hooke. b) De Van Leeuwenhoek. El camino de la sangre. Wiliam Hervey fue el pionero en la descripción de la circulación sanguínea. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 7 Biología general FLASH Etapa moderna Antes de los estudios de Hervey se pensaba que la sangre era producida en el hígado al ingerir los alimentos, y que sólo pasaba una vez por los vasos sanguíneos, evaporándose después. En el siglo xix surgieron investigadores que revolucionaron diversos campos de la Biología; entre ellos, sobresalen: Matthias J. Schleiden y Theodor Schwann, Carl von Linné, Louis Pasteur, Charles Darwin y Gregor Mendel. Figura 1.8 Al francés Louis Pasteur se le considera el padre de la microBiología. Además, hizo estudios sobre la fermentación alcohólica y láctica y descubrió varias vacunas, entre ellas, la antirrábica. Pasteur también demostró que la teoría de la generación espontánea, propuesta por Aristóteles, era errónea. Los biólogos alemanes Schwann y Schleiden propusieron, en 1839, que todas las plantas y animales están compuestos por células, por lo que se les reconoce como los autores de la Teoría Celular. En el siglo xviii, Carl von Linné, botánico sueco, propuso un sistema de clasificación de las plantas utilizando la nomeclatura binominal; este sistema no sólo es aplicable a las plantas, sino a todos los demás seres vivos. En 1860 el naturalista inglés Charles Darwin (fig. 1.8), expuso en su libro, El origen de las especies, una teoría para explicar la evolución de los seres vivos por medio de la selección natural. Hasta antes del siglo xix, predominaba la idea de que los seres vivos no habían cambiado a lo largo del tiempo, es decir, que no habían sufrido modificación alguna. Darwin propuso una teoría para explicar la evolución y afirmó que el hombre también es producto de las fuerzas evolutivas. Hoy día, la evolución es el principio que gobierna todo el pensamiento en la ciencia de la Biología. Charles Darwin. El autor de la teoría de la selección natural publicó su propuesta en 1860. FLASH 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= A Louis Pasteur se le confirió el título de Secretario perpetuo de la Academia de Ciencias de Francia. En 1888 fundó el Instituto Pasteur, con sede en París, actualmente considerado como uno de los principales centros de investigación mundial en Medicina y Biología. Figura 1.9 El monje austriaco Gregor Mendel (1822-1894), fue pionero en el campo de la genética. Después de experimentar durante ocho años con chícharos o guisantes, concluyó que la herencia sigue ciertas leyes y que las características se heredan a los descendientes a través de unidades constantes. Los trabajos de Mendel no fueron comprendidos ni continuados hasta 30 años después de su muerte. Etapa contemporánea El siglo xx es la etapa del auge de la Biología celular y molecular, pues la gran mayoría de los estudios desde entonces se ha centrado en la investigación sobre la constitución molecular de la célula y su función. Son muchos los investigadores que han sobresalido en este siglo. A continuación, citaremos las contribuciones de algunos de ellos. El genetista estadounidense Thomas Morgan experimentó con la mosca de la fruta (Drosophila) y, en 1910, propuso que la herencia radica en los cromosomas localizados en el núcleo (fig. 1.9). En 1953, el norteamericano James Watson y el británico Francis Crick establecieron un modelo (fig. 1.10) para explicar la estructura del ADN (ácido desoxirribonucleico), molécula que constituye a los genes y cromosomas y en la cual radica la herencia. La era moderna de los antibióticos comenzó en 1929, cuando el bacteriólogo inglés Alexander Fleming descubrió la penicilina, sustancia que mata las bacterias y es extraída del hongo Penicillium notatum. 0 G IA? P Alexander I. Oparin, bioquímico ruso, formuló una hipótesis sobre el origen de la vida de la Tierra a partir de reacciones químicas ocurridas en los océanos primitivos. Esta hipótesis fue planteada en 1938 y se verá con más detalle en la unidad sobre “El origen de la vida”. Mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). Es el organismo que utilizó Morgan en sus experimentos para estudiar los cromosomas. 3I9EACC Severo Ochoa, bioquímico español, descubrió en 1959 los mecanismos que producen el ácido ribonucleico (ARN), uno de los agentes químicos que determinan la herencia. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G 8=: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Los franceses Jacques Monod y François Jacob recibieron, en 1965, el premio Nobel por sus estudios en genética sobre el control y regulación de la actividad de los genes. Más adelante analizaremos los trabajos de estos investigadores. Figura 1.10 Al investigador austriaco Konrad Lorenz se le conoce como el padre de la Etología, rama de la Biología que se dedica al estudio del comportamiento de los animales. Las conclusiones de Lorenz se fundamentaron en sus observaciones de la conducta de patos y gansos (fig. 1.11). A manera de resumen, en el cuadro 1.2 se listan los principales investigadores de las ciencias biológicas con las indicaciones de algunas de sus contribuciones. El campo de la Biología también se ha enriquecido con aportaciones de destacados investigadores mexicanos. En el siglo xx sobresalen las contribuciones de algunos científicos de nuestro país como son: Isaac Ochoterena, realizó un estudio sobre las cactáceas de México (fig. 1.12) y fue director del Instituto de Biología de la UNAM. Cuadro 1.2 Principales investigadores de la Biología y sus aportaciones Etapa Antigua Moderna siglo xix 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Renacimiento y siglo xvii 3I9EACC Contemporánea siglo xx Autor Aportación Filósofos naturalistas Explican los fenómenos por causas materiales. Hipócrates Primeros documentos biológicos. Aristóteles Fundador de la Biología, utiliza el método científico. Estudio de los animales. Galeno Estudio de anatomía. Vesalio Anatomía del cuerpo humano. Hervey Circulación de la sangre. Janssen Construcción de microscopios. Hooke Dio nombre a la célula. Leeuwenhoek Observación de microorganismos. Schwann y Schleiden Teoría celular. Linné Sistema de clasificación. Pasteur Fermentación, vacunas, falsedad de la generación espontánea. Darwin Teoría de la evolución. Mendel Leyes de la genética. Morgan Teoría cromosómica de la herencia. Watson y Crick Estructura del ADN. Fleming Descubrimiento de la penicilina. Oparin Teoría sobre el origen de la vida. Monod y Jacob Regulación genética. Ochoa Producción del ARN. Lorenz Comportamiento animal. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: Dibujo original. Modelo de la estructura del ADN elaborado por la esposa de Francis Crick, Odile Crick, publicado en Nature el 25 de abril de 1953. FLASH El 28 de julio de 2004, a la edad de 88 años, falleció Francis Crick, codescubridor de la estructura del ADN. Figura 1.11 a b Etología. La Etología estudia el comportamiento animal, cuyo principal investigador fue Konrad Lorenz. Este científico encontró que los gansos desarrollan ciertas conductas por imitación de a) otros gansos b) o de otro ser vivo. B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 9 Biología general Alfonso Herrera fue un investigador distinguido que fundó la cátedra de Biología en la Escuela Normal para Maestros. Se incorporó a la corriente evolucionista de Darwin, y en 1906 realizó estudios sobre el origen del protoplasma al que llamó “Plasmogenia”. Además, realizó investigaciones sobre plagas de la agricultura en México. Figura 1.12 El biólogo Eucario López Ochoterena ha sobresalido principalmente por sus investigaciones con protozoarios (1927), esto es, organismos unicelulares, tanto de vida libre como parásitos. Enrique Beltrán Castillo dedicó gran parte de su vida a la investigación biológica en el área de los recursos naturales. Es autor de varias obras, entre ellas: Los recursos naturales de México, La pesca en México, Consejos a los biólogos y otras. Fue director y fundador del Instituto Mexicano de Recursos Naturales Renovables (IMERNAR). En 1956 se tituló como biólogo Arturo Gómez Pompa y desde entonces a la fecha ha realizado un amplio trabajo como investigador. Fundó el Instituto Nacional de Investigaciones sobre Recursos Bióticos (INIREB) y el Consejo Nacional para la Enseñanza de la Biología (CNEB). Ha trabajado principalmente en Botánica, ecología vegetal y recursos bióticos, sobre esta última disciplina ha publicado numerosas obras. Cactáceas de México. El investigador Isaac Ochoterena realizó importantes estudios acerca de estas plantas desérticas. Mario Castro creó diferentes variedades de maíz, entre ellas, la conocida como “maíz súper enano”. Mediante mejoramiento genético, redujo la altura de esta planta para aumentar el número de individuos por área. Mario Molina, en 1995, obtuvo el premio Nobel por sus estudios sobre la destrucción de la capa de ozono debida al uso de gases clorofluorocarbonados que se emplean en la fabricación de aerosoles y refrigerantes. Este investigador ha demostrado el peligro que representa la radiación ultravioleta proveniente del Sol y la destrucción de la capa de ozono. En el cuadro 1.3 se sintetizan las principales contribuciones de científicos mexicanos en el área de la Biología. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 1.3 Principales científicos mexicanos y sus contribuciones a la Biología 3I9EACC Investigador Campo de estudio Isaac Ochoterena Cactáceas de México. Alfonso Herrera Origen del protoplasma (Plasmogenia), plagas agrícolas. Eucario López Ochoterena Protozoarios. Enrique Beltrán Recursos naturales de México. Arturo Gómez Pompa Botánica, Ecología vegetal y Recursos bióticos. Mario Castro Fitomejoramiento, creación del maíz enano. Mario Molina Ecología, destrucción de la capa de ozono. La comunidad científica internacional ha hecho importantes contribuciones aplicables a diferentes ramas de la Biología, como puedes observar en el cuadro 1.4 que resume los premios Nobel recientes. En la sección Conoce más podrás leer sobre algunos de estos investigadores que crearon modelos animales para estudiar enfermedades humanas. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G10 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Cuadro 1.4 Científicos galardonados con el premio Nobel Año Investigadores Aportación 1996 Peter Doherty y Rolf Zinkenagel Descubrieron la especificidad entre la célula y la defensa inmune. 1997 Stanley Prusiner Realizó estudios sobre los priones, o partículas acelulares formadas por una proteína, que producen enfermedades del sistema nervioso central. 1998 Robert Furchgott, Luis Ignarro y Ferid Murad Encontraron que el óxido nítrico, un gas sin color y sin olor, puede afectar el sistema cardiovascular, disminuyendo la presión sanguínea. 1999 Günter Blobel Demostró que las proteínas tienen “señales intrínsecas” que constituyen un código molecular, el cual es leído por la célula. Arvid Carlsson y Paul Greengard Descubrieron ciertas señales de traducción entre las células nerviosas, lo que permitió descifrar las funciones normales y patológicas del cerebro. Sus estudios determinaron el desarrollo de nuevos medicamentos para el tratamiento de algunas alteraciones neurológicas y psiquiátricas. 2001 Paul Nurse, Leland Hartwell y Timothy Hunt Demostraron que las ciclinas y las quinasas regulan el ciclo celular de los organismos eucariontes, incluyendo las levaduras, las plantas, los animales y el hombre. Esto afecta todos los aspectos del crecimiento celular, lo cual genera nuevas perspectivas para el tratamiento del cáncer. 2002 Robert Horvitz, Sydney Brenner y John E. Sulston Realizaron estudios sobre la regulación genética del desarrollo de órganos y la muerte celular programada (apoptosis). 2003 Paul Lauterbur y Peter Mansfield Lograron avances en el campo de la resonancia magnética y su aplicación en el desarrollo de la tomografía. 2004 Richard Axel y Linda Buck Descubrieron nuevos receptores olfatorios e hicieron contribuciones sobre la organización del sistema olfativo. 2005 Robin Warren y Barry Marshall Demostraron que la gastritis y la úlcera péptica son causados por la bacteria Helicobacter pylori. Sus estudios permitieron tratar estas enfermedades con antibióticos e inhibidores de la segregación ácida. 2006 Andrew Fire y Craig Mello Encontraron un mecanismo natural para inactivar genes nocivos que no funcionan correctamente, lo cual podrá conducir a nuevas terapias para combatir enfermedades graves. 2007 Mario Capecchi, Oliver Smithies y Martin Evans Realizaron trabajos sobre células madre y manipulación genética en modelos animales, desactivando un gen durante el desarrollo embrionario de ratones. 2008 Harald zur Hausen, Françoise Barré-Sinoussi y Luc Montagnier Hausen descubrió el agente causal del cáncer cervicouterino (virus del papiloma humano, VPH); en tanto, Barré y Montagnier el del SIDA (VIH). 2009 Elizabeth Blackburn, Carol Greider y Jack Szostak Por sus investigaciones del envejecimiento celular y la responsabilidad que los telómeros y la enzima telomerasa tienen en ello. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2000 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 11 Biología general Conoce más Ratones de diseño Técnica para crear modelos de enfermedades humanas en animales Los científicos Mario Capecchi, de origen italiano, y Oliver Smithies y Martín Evans, de origen británico, recibieron el premio Nobel de Medicina y Fisiología 2007 por sus trabajos sobre células madre y manipulación genética en modelos animales. Sus descubrimientos han permitido poner en marcha una tecnología de una importancia inmensa para manipular genes en animales. Se extraen células madre de un embrión de 5-6 días (blastocisto) Se modifica la cadena de ADN para obtener el llamado gen de interés Ratones manipulados genéticamente Mediante un choque eléctrico se mezcla el gen de interés con las células extraídas Esta tecnología permite a los científicos crear ratones con mutaciones en cualquier gen que se desee. La técnica ha sido crucial para estudiar las funciones de diferentes tipos de genes y crear modelos de enfermedades. Hasta la fecha se han manipulado más de 10 mil genes de roedores, aproximadamente la mitad de los que componen su genoma. La manipulación genética desarrollada por estos investigadores ha arrojado luz sobre el desarrollo embrionario, el envejecimiento y ciertas enfermedades en roedores. A través de la recombinación homóloga se obtiene un conjunto de células con el gen de interés Se implantan las células modificadas en blastocistos y éstos en ratones Este trío de científicos ha desarrollado modelos de enfermedades humanas en animales, entre ellas, la aterosclerosis, el cáncer, la hipertensión y la fibrosis quística. La tecnología que ellos impulsaron también contribuye a avanzar en el conocimiento de los procesos biológicos normales. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La ratona da a luz ratones “quiméricos” Si un ratón “quimérico” se aparea con una ratona normal se obtienen ratones con la carga genética deseada 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G12 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia RELACIÓN DE LA BIOLOGÍA CON LA TECNOLOGÍA Y LA SOCIEDAD En la segunda mitad del siglo xx, y principios del xxi, la ciencia y la tecnología han producido tres transformaciones fundamentales: Primero, la tecnología nuclear (producción de energía física), segundo, la tecnología de la comunicación y la información (producción, procesamiento y reproducción de símbolos, información y conocimientos) y tercero, la biotecnología, que comprende la producción y transformación tecnológica de procesos biológicos. La relación entre la información, la telemática (informática y comunicación a distancia), la biotecnología, la nanotecnología y la digitalización, ha transformado los procesos tecnológicos y culturales a un nivel jamás producido en cualquier otra instancia de la historia del hombre. Estas transformaciones han llevado a desarrollos acelerados en la Biología, en especial en las áreas de la Biología Molecular, la Genética y la Ecología, entre otras, para mejorar la salud humana, incrementar la calidad de los alimentos que consumimos y evitar el deterioro ambiental. En la actualidad la Biología se enfrenta con grandes retos, entre ellos: r Resolver problemas de salud, tales como el cáncer y el SIDA (estudios en estos campos recibieron el premio Nobel en 2008 y 2009). r Mejorar la calidad de nuestro ambiente. r Mantener la biodiversidad en nuestro planeta. r Aprovechar, de manera óptima, los recursos naturales terrestres y acuáticos. r Incrementar la calidad de nuestra alimentación. r Aplicar procesos de ingeniería genética para resolver problemas de salud, de alimentación y ecológicos. r Conocer la estructura y funcionamiento de células, genes y moléculas que conforman a los seres vivos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Todos estos problemas biológicos son de interés para la humanidad, por lo que gran parte de los recursos que se destinan para la investigación en los diferentes países se invierten en estos aspectos. 3I9EACC En México, entre los principales centros de investigación biológica, destacan los siguientes: la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el Instituto Politécnico Nacional (IPN); el Centro de Investigaciones Biológicas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (CIB-UAEM); la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT); la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN); la Universidad Autónoma de Chapingo (UACH); la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM); la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL); el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV). Expresado de manera general, podemos decir que las aplicaciones reales y potenciales de la Biología contemporánea son cada día más numerosas y revisten gran importancia en la vida diaria de los seres humanos. Prueba de ello es el conocimiento y el interés que la sociedad en general tenemos de los avances biotecnológicos, pues continuamente utilizamos o sabemos de productos elaborados con base en estos descubrimientos. Tal vez utilizamos empaques biodegradables o consumimos frutas y verduras transgénicas o cultivadas con fertilizantes orgánicos, es probable que nos enteremos de alguna nueva vacuna o de la producción de combustible a partir del maíz. Todos tienen como base los conocimientos biológicos. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 13 Biología general Revisa y comenta con tus compañeros las siguientes NOTICIAS BIOLÓGICAS e infórmate de otros avances de la Biología que impactan directa o indirectamente nuestras vidas. Se podrá comercializar a gran escala el “súper maíz” en México (Guadalajara, 2008) El investigador del Departamento de Producción Agrícola del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA), Florencio Reséndiz Hurtado, estimó que en dos años se podrá comercializar a gran escala el “súper maíz” para que las empresas interesadas tengan la materia prima con qué elaborar productos que dejarán de ser “comida chatarra”. “El debate ha terminado, es la hora de actuar” (Madrid, 2007) El ex vicepresidente de los EUA, Al Gore, llama desde Madrid a sumar esfuerzos en contra del cambio climático. “La Tierra está en peligro, pero tenemos todo lo necesario para salvarla, a excepción de la voluntad política”, con estas palabras dio arranque el I Encuentro de Energía, Municipio y Calentamiento Global. Graves problemas nutricionales de nuestra población 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= (Puebla, 2007) 3I9EACC De acuerdo con investigaciones realizadas por el Departamento de Ciencias Químico Biológicas de la Universidad de las Américas (UDLA), en México la mayo- ría de las personas tiene una dieta basada en grasas, proteínas y azúcares, mientras que, en otro extremo, se encuentra 5% de los indígenas marginados que aún están enfrentando problemas nutricionales básicos y de sanidad. Ecologistas en Acción alertan sobre el incremento de mercurio en el pescado (Unión Europea, 2007) Para la organización llamada “Ecologistas en Acción” la situación es muy grave ya que los límites de mercurio permitidos por la UE en pescado no protegen suficientemente la salud, al no tener en cuenta el consumo medio ni las características corporales de los consumidores. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G14 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia INTERACCIÓN DE LAS CIENCIAS BIOLÓGICAS ENTRE SÍ Y CON OTRAS CIENCIAS Cuadro 1.5 División taxonómica de la Biología Rama Objeto de estudio Bacteriología Bacterias Botánica Plantas Entomología Insectos Ficología Algas Helmintología Gusanos Herpetología Anfibios y reptiles Ictiología Peces Mastozoología Mamíferos La división básica incluye las ramas que estudian los aspectos comunes a todas las formas de vida. Entre éstas se encuentran las que se presentan en el cuadro 1.6. Micología Hongos Ornitología Aves Es importante aclarar que todas las disciplinas de la Biología no se encuentran aisladas, sino que se relacionan entre sí. Por ejemplo, sabemos que la Ornitología estudia las aves y que de una especie se puede estudiar su evolución, anatomía, fisiología, ecología, etcétera. Esto es, todas las ramas están interrelacionadas, constituyendo una unidad que permite el estudio integral de la naturaleza (fig. 1.13). Virología Virus Zoología Animales Los descubrimientos registrados en la Biología la han hecho una ciencia tan amplia que, al igual que otras, se subdividió en áreas de estudio especializadas. Las ramas o subdivisiones de la Biología se clasifican en dos grupos: división taxonómica o área de aspectos de diversidad de los organismos, y división básica o área de aspectos de unidad de los organismos. La división taxonómica incluye las ramas que estudian los diferentes tipos de organismos existentes. Las principales ramas se muestran en el cuadro 1.5. Ornitología Entomología Botánica Taxonomía, etcétera. Genética Evolución Anatomía Fisiología Micología, etcétera. Ecología 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Bacteriología Ramas de Unidad o División básica Interrelación entre las disciplinas de la Biología. El estudio integral de los seres vivos se logra cuando participan diferentes divisiones de esta ciencia. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Ramas de Diversidad o División taxonómica Figura 1.13 Cuadro 1.6 División básica de la Biología Rama Objeto de estudio Anatomía Forma y estructura de los seres vivos. Biología molecular Estructura y función de las moléculas biológicas. Citología Estructura y función de las células. Ecología Interrelaciones del organismo con su medio. Embriología Formación y desarrollo de los embriones. Evolución Origen y transformaciones de los seres vivos. Fisiología Funciones de los organismos. Genética Transmisiones de los organismos. Histología Estructura y características de los tejidos. Inmunología Sistema de defensa del organismo contra enfermedades. Paleontología Fósiles. Parasitología Organismos parásitos. Taxonomía Ordenación y clasificación de los organismos. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 15 Biología general CIENCIAS AUXILIARES DE LA BIOLOGÍA La Biología es una ciencia tan compleja que, para alcanzar sus objetivos, debe apoyarse en otras disciplinas científicas. Las ciencias que auxilian a la Biología para lograr investigaciones completas se denominan ciencias auxiliares de la Biología (fig. 1.14). Las principales se citan a continuación. r 'ÎTJDBLa Física clásica estudia las propiedades mecánicas de la materia y la energía. La utilización de la energía por los seres vivos es un concepto central en la Biología, ya que cubre todos sus procesos vitales. Así, por ejemplo, en los ecosistemas la energía fluye desde la fuente primaria que es el Sol a las plantas, que la transforman durante la fotosíntesis y, posteriormente, a los demás organismos que la obtienen al procesar los alimentos. La Física también se aplica al estudiar el funcionamiento del ojo, el oído, el movimiento, el desarrollo de seres vivos, etcétera. r 2VÎNJDBLa Química estudia la caracterización, composición y transformaciones de la materia. La relación entre la Química y la Biología es estrecha, pues al estudiar a los seres vivos debemos conocer su composición química. Además, la investigación de los fenómenos vitales como la respiración, fotosíntesis y homeostasis, entre otros, se basa en fenómenos químicos. r .BUFNÃUJDBT Las Matemáticas estudian las propiedades de los números y otros elementos abstractos. Su aplicación a la Biología es evidente cuando se realizan estudios de estimaciones numéricas, como la velocidad de reproducción, el aprovechamiento de la energía, la probabilidad de aparición de rasgos genéticos en la descendencia y el análisis estadístico del crecimiento de una población, por citar algunos ejemplos. r $JFODJBT EF MB5JFSSB Corresponden al estudio de los hechos y fenómenos que suceden en la Tierra. Dentro de estas ciencias destaca la Geografía, que auxilia a la Biología proporcionando datos sobre la distribución de los seres vivos en el planeta y la relación de éstos con las condiciones ambientales como luz, temperatura y humedad, entre otros. Figura 1.14 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Física Matemáticas Química 0 G IA? P Biología Ciencias de la Tierra Ciencias Sociales Relación de la Biología con las ciencias auxiliares. Para que la Biología logre sus objetivos se apoya en otras disciplinas científicas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G16 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia r $JFODJBTTPDJBMFTSon las ciencias que se ocupan del ser humano como ser social. Dado que el hombre es un ser vivo es importante la relación entre la Biología y la Historia al estudiar, por ejemplo, el desarrollo de las ciencias biológicas a lo largo del tiempo o el impacto que han tenido los descubrimientos biológicos en la sociedad. El carácter científico de la Biología 1. La Ciencia es un conjunto de conocimientos sistemáticos que buscan explicar los fenómenos por sus principios y causas. La Biología, como toda ciencia, se caracteriza por ser explicativa, sistemática, objetiva y metódica. 2. La Biología es la ciencia que estudia todo lo relativo a la estructura y funciones de los seres vivos. En la actualidad la investigación biológica está encaminada principalmente a resolver problemas en las áreas de salud, como cáncer y SIDA; el ambiente, como contaminación y aprovechamiento de recursos y de genética a nivel molecular. 3. El conocimiento del significado de prefijos y sufijos de uso común en la Biología facilita el manejo de los términos biológicos. 4. Entre las contribuciones al desarrollo de la Biología como ciencia, efectuadas durante la antigüedad, destacan las realizadas por los filósofos naturalistas, Hipócrates, Galeno y Aristóteles, a este último se le considera fundador de la Biología. 5. En los siglos xvi y xvii se renovó el interés por la ciencia; los principales investigadores que aportaron nuevos conocimientos en el campo de la Biología fueron: Vesalio, Harvey, Janssen, Hooke y Van Leeuwenhoek. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 6. El siglo xix se caracterizó por el surgimiento de científicos que propusieron teorías que revolucionaron a la Biología y la consolidaron como ciencia. Entre ellos sobresalen: Schwann y Schleiden (teoría celular), Linné (sistema de clasificación), Darwin (teoría de la evolución), Pasteur (microBiología) y Mendel (leyes de la genética). 7. Los estudios a nivel celular y molecular han constituido el principal foco de atención de los investigadores de la Biología contemporánea. Algunas de las contribuciones fundamentales del siglo xx han sido los estudios sobre la estructura del ADN realizados por Watson y Crick, la teoría cromosómica de la herencia propuesta por Morgan, la hipótesis de Oparin sobre el origen de la vida, y los modelos de regulación genética estudiados por Jacob y Monod. 8. Entre los investigadores mexicanos que han hecho estudios en el campo de la Biología destacan Isaac Ochoterena, Alfonso Herrera, Enrique Beltrán Castillo, Arturo Gómez Pompa, Mario Castro y Mario Molina. 9. En el siglo xxi diversos científicos han enriquecido nuestro conocimiento sobre la transducción entre las células nerviosas, la regulación del ciclo celular, la causa de la gastritis y el desarrollo de modelos animales, entre otros. 10. La relación entre la telemática, la biotecnología, la nanotecnología y la digitalización ha acelerado el desarrollo de la Biología Molecular, la Genética y la Ecología. 11. La Biología se enfrenta a grandes problemas que afectan a la sociedad, como el cáncer, el SIDA, el aprovechamiento de los recursos naturales, la alimentación y la ecología. 12. Para estudiar a la naturaleza de manera integral es necesario relacionar entre sí dos subunidades de la Biología, la taxonómica y la básica. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 17 Biología general La taxonómica estudia las ramas del área de diversidad de los seres vivos (Botánica, Virología, Zoología, etcétera) y la básica se refiere a los aspectos comunes a todos los organismos (anatomía, genética, ecología, etcétera). 13. La Biología se apoya en diversas ciencias, llamadas auxiliares, para explicar los procesos que realizan los seres vivos. Las ciencias auxiliares son: Física, Química, Matemáticas, Ciencias de la Tierra y Ciencias Sociales. 1.2 METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA METODOLOGÍA EXPERIMENTAL La Biología sigue un método para obtener nuevos conocimientos sobre el mundo viviente. De manera particular emplea el procedimiento llamado método científico para conocer nuevos hechos y establecer las relaciones entre ellos. En la lectura “¿Puedo ser un investigador científico?” de la sección Conoce más, se reseñan experiencias de algunos investigadores en su tarea científica. Aunque los procedimientos pueden variar, el método científico consta de cuatro pasos generales. 1. Planteamiento del problema 2. Formulación de la hipótesis 3. Comprobación de la hipótesis 4. Proposición de teorías y leyes 1. Planteamiento del problema 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Para realizar cualquier investigación se debe partir de un cuerpo de conocimientos ya establecidos (antecedentes teóricos) y de observaciones metódicas, de los cuales surge una pregunta o un problema. La observación es el examen cuidadoso que se realiza de un fenómeno con el fin de determinar sus características y cualidades. Cuando se realizan observaciones en Biología, además de utilizar los cinco sentidos, se requiere, por lo general, de instrumentos auxiliares como microscopio, termómetros, balanzas, etcétera. Una vez realizadas las observaciones correspondientes se formula el problema de la investigación. Resulta más sencillo resolver un problema si éste se plantea de manera clara y precisa. Un problema es una interrogante que se plantea acerca de cierto fenómeno. 2. Formulación de la hipótesis Después de que se ha planteado la pregunta o problema, el científico trata de responderla formulando una o varias hipótesis. Por tanto, la hipótesis es una proposición que responde de manera tentativa un problema. Es una explicación provisional de las causas del fenómeno observado. Las hipótesis deben ser puestas a prueba para determinar su validez. La hipótesis es una respuesta lógica y posible a un problema. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G18 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia 3. Comprobación de la hipótesis Una vez planteadas las hipótesis, éstas deben comprobarse. La comprobación de la hipótesis consiste en probar, por diversos medios, si ésta es válida o no. En el caso de las ciencias biológicas, la comprobación de la hipótesis se realiza de manera experimental, por medio de la elaboración de un diseño y la ejecución de los experimentos correspondientes. Analicemos brevemente cada uno de estos procedimientos. A) Diseño experimental El diseño experimental consiste en elaborar un plan de trabajo que nos lleve a la comprobación de la hipótesis. En un diseño experimental debemos definir claramente los siguientes aspectos: r .BUFSJBMFTSe hace una descripción del material biológico y de laboratorio que se va a utilizar. r 7BSJBCMFT Z DPOTUBOUFT En un experimento, los aspectos del fenómeno que no cambian se denominan constantes y los que sí lo hacen, variables. La variable independiente es la causa del cambio. La variable dependiente es la condición del fenómeno que cambia por efecto de la variable independiente, es decir, es la consecuencia del cambio. r (SVQPUFTUJHPZHSVQPFYQFSJNFOUBMEl grupo testigo está constituido por las muestras en las que se excluyen las variables para que el fenómeno se presente de la manera más cercana a como ocurre en la naturaleza, de forma que sirva de punto de comparación. El grupo experimental es la muestra en la cual se introducen variables para observar si hay cambios en el fenómeno. B) Experimentación 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Una vez trazado el plan de trabajo, se realiza la experimentación con el fin de comprobar la hipótesis planteada. 3I9EACC La experimentación consiste en repetir un fenómeno modificando algunas de las condiciones en que se presenta en la naturaleza. Durante la experimentación se deben registrar, en forma cuidadosa, los resultados obtenidos, los cuales se ordenan y procesan posteriormente. Para presentar los resultados, por lo general se recurre a la elaboración de gráficas, cuadros, diagramas, etcétera, y se aplican pruebas estadísticas (porcentajes, promedio, entre otros), para analizarlos. Con base en los análisis de los resultados del experimento, se acepta o rechaza la hipótesis, lo que constituye la conclusión. Por último, se reporta un resumen de la investigación en un informe. Es importante difundir la información obtenida de las investigaciones científicas, pues esto permite a la sociedad estar al tanto de los avances de la ciencia. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: FLASH Algunas de las publicaciones biológicas, tanto nacionales como internacionales, son: r .VZJOUFSFTBOUFIUUQ XXXNVZJOUFSFTBOUFFT r $JFODJBZ%FTBSSPMMPIUUQ XXXDPOBDZUNY DPNVOJDBDJPOSFWJTUB r 4DJFOUJàD"NFSJDBOIUUQ XXXTDJBNDPN r /BUVSFIUUQXXXOBUVSF DPNOBUVSF r $ÓNPWFTIUUQXXX DPNPWFTVOBNNY r 4VQMFNFOUPEFDJFODJBEF i&MNVOEPuIUUQXXX FMNVOEPFTFMNVOEP DJFODJBIUNM r $POWFSTVTIUUQXXX DPOWFSTVTJQONYIUNM DPOWFSTVTIUNM r &VSFLBIUUQXXXBQBD FVSFLBPSHSFWJTUBJOEFY IUN B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 19 Biología general 4. Proposición de las leyes y teorías Cuando una hipótesis ha sido confirmada, se establecen relaciones constantes entre los hechos. Si las relaciones tienen aplicación universal pasan a la categoría de leyes y teorías. En resumen, el método científico en la Biología, al igual que en otras ciencias experimentales, incluye los procedimientos que se muestran en el cuadro 1.7 Cuadro 1.7 Cuerpo de conocimientos disponibles Observación Planteamiento del problema Formulación de hipótesis Diseño experimental t.BUFSJBM t7BSJBCMFT y constantes Experimentación Comprobación de la hipótesis t(SVQPUFTUJHP y experimental Presentación de análisis y resultados Conclusiones Proposición de leyes y teorías r $VFSQP EF DPOPDJNJFOUPT EJTQPOJCMFT Los investigadores han observado que en cierto río se desarrollan peces con anormalidades. Las fábricas cercanas descargan sustancias químicas en este río. P En el siguiente apartado exponemos, de manera breve, un ejemplo de investigación biológica donde se identifican los pasos del método científico. 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Presentación del informe r 1MBOUFBNJFOUPEFMQSPCMFNB¿Existe alguna relación entre los contaminantes del agua del río y el desarrollo anormal de los peces que lo habitan? r 'PSNVMBDJÓOEFMBIJQÓUFTJTLas sustancias contaminantes del río (sustancia X) son la causa del desarrollo anormal de los peces que viven en él. r %JTFÒPFYQFSJNFOUBMSe plantea el experimento tomando en cuenta: Material: peceras, peces, agua del río, sustancia química X y materiales de laboratorio necesarios. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G20 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Variables y constantes: la variable independiente (causa) es la adición al agua de la sustancia química X. La variable dependiente (efecto) será la presencia o ausencia de anormalidades en los peces una vez realizado el experimento. Las constantes son los factores que no se alteran, tanto en el grupo testigo como en el experimental, que en este caso serían: el tipo de peces, cantidad y tipo de agua, temperatura, tiempo que dura el experimento, alimentación de los peces, etcétera. Figura 1.15 a) Grupo testigo Grupo testigo y grupo experimental: Los peces se distribuyen en dos peceras: una contiene al grupo experimental, al que se le agregará la sustancia X; la otra pecera albergará al grupo testigo, al que no se le aplica la sustancia X (fig. 1.15). r &YQFSJNFOUBDJÓOSiguiendo el diseño anterior, se realiza el experimento correspondiente. Se observó que al cabo de un mes, más de 50% de los peces del grupo experimental presentó anormalidades en su desarrollo, lo cual no ocurrió en el grupo testigo. Como ambos grupos fueron tratados en forma idéntica, a excepción de la variable adición de la sustancia X, la diferencia en los resultados permite concluir, con cierto grado de confiabilidad, que el efecto se debió a dicha variable. r $PODMVTJÓO Se concluye que las anormalidades desarrolladas en los peces del río se debieron a la presencia de la sustancia X en el agua. Una vez finalizado el experimento se elabora un informe que resume esta investigación. b) Grupo experimental Grupo testigo y grupo experimental. El grupo testigo está constituido por peces a los que no se les agrega la sustancia X en el agua. El grupo experimental son los peces a los que se les adiciona la sustancia X en cierta concentración. Ambos grupos se mantienen en condiciones similares constantes, a excepción de la sustancia X (variable). Conoce más Desde la época de los antiguos griegos, el hombre se ha preguntado sobre el conocimiento. Platón buscaba las respuestas sobre el conocimiento en general; ¿qué es, cómo se adquiere y de dónde viene? En el siglo XVI, el investigador inglés Francis Bacon se interesó por el conocimiento científico y propuso cuatro reglas para adquirirlo: observar, medir, explicar y verificar. En el siglo XX el método científico se hizo más complejo y se planteó la necesidad de establecer un problema, es decir, una pregunta que se quiere responder, recabar información pertinente, formular una hipótesis, comprobarla experimentalmente y deducir conclusiones para poder aceptar, rechazar o modificar la hipótesis, según sea el caso. Los científicos no tienen reglas fijas sobre qué aspecto de la naturaleza deben cuestionar o medir. Un investigador podría tomar una hermosa manzana y preguntarse qué tan nutritiva es, mientras que a otro le puede interesar proteger a los árboles de manzana del ataque de las plagas. El primer investigador tal vez proponga una nueva teoría sobre el contenido de calorías y de vitaminas de la manzana; el segundo, un nuevo concepto sobre el control de las principales plagas de esta fruta. Alguno, quizá, deduzca sus conclusiones después de analizar meticulosamente sus experimentos durante años, y el otro, tal vez obtenga sus respuestas tras una “chispa de inspiración”. También puede ocurrir que ambos tomen la manzana y simplemente se la coman, deleitándose con su aroma, sabor y textura. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= ¿Puedo ser un científico? 3I9EACC ¿Tienes las habilidades para ser un investigador en el campo de la Biología? Desarrolla tu capacidad de observación para que compares y analices tu medio ambiente. Utiliza tu intuición para descubrir problemas que otros no ven y para proponer soluciones que a otros ni se les ocurren. Trata de establecer relaciones entre los hechos y sus causas. Los científicos son personas dedicadas y responsables. Están conscientes de las limitaciones tecnológicas y económicas que enfrentan pero no las consideran como obstáculos, sino retos por superar. Tú puedes ser el próximo científico que aporte los nuevos conocimientos que requiere la humanidad. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 21 Biología general OTROS MÉTODOS EN BIOLOGÍA En el apartado anterior aprendiste que la Biología utiliza el método científico y, principalmente, el método experimental para resolver los diversos problemas que se le presenten. Sin embargo, no hay un método de investigación que sea común para todas las ramas de la Biología ni para todos los problemas que se quieran aclarar. Además del método experimental, el investigador tiene a su disposición variaciones del mismo, como el método observacional y el método comparativo. Método observacional El primer paso en cualquier investigación es la observación, la cual es la base de conocimiento de toda ciencia y, a la vez, es el procedimiento empírico más generalizado. La observación consiste en fijar la atención en una porción de la realidad para identificar acontecimientos específicos a través de nuestros sentidos. Es importante señalar que se debe estudiar el curso natural de lo observado sin alterar sus condiciones, es decir, la observación científica tiene un aspecto contemplativo. El método observacional exige observar detenidamente un fenómeno y describirlo detalladamente, tomando en cuenta diversos aspectos como el color, la textura, la forma, el tamaño y el color, entre otros, así como los cambios en apariencia, tamaño y textura que se pueden presentar. Es importante que el investigador se auxilie de aparatos de medición para que sus observaciones sean objetivas y no dependan de sus sentidos. El investigador debe llevar un registro detallado y exacto de todas sus observaciones, anotando claramente la fecha de la observación y la descripción minuciosa correspondiente. El registro claro y ordenado constituye una valiosa ayuda para analizar el acontecimiento y llegar a conclusiones válidas. Además, se debe contar con un testigo o experimento-control (modelo que cumple condiciones ideales) que ayude a interpretar las variaciones registradas. Se reconocen cinco elementos en el proceso de observación: 1. El objeto de observación 2. El observador 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 3. El ambiente o circunstancias que rodean a lo observado 4. Los medios de observación 5. Los conocimientos que forman parte de la observación El método observacional consiste en fijar la atención en un fenómeno y registrar con exactitud sus detalles y cambios. Método comparativo La comparación es un aspecto muy importante dentro del método científico de la Biología. Si no se realizan comparaciones, no se obtendrá una visión lógica de los hechos. La comparación establece semejanza y diferencias entre los objetos para, finalmente, encontrar características comunes entre los fenómenos. El método comparativo en los seres vivos también recibe el nombre de homología o estudio de la relación entre dos partes orgánicas diferentes cuando sus determinantes genéticos tienen el mismo origen evolutivo. Por ejemplo, hay homología entre los 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G22 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia órganos de dos especies diferentes, cuando dichos órganos derivan de la misma estructura de su antepasado común, sin importar qué tan diferentes han llegado a ser. Las cuatro extremidades de los vertebrados con mandíbula (gnatóstomos), desde los tiburones hasta las aves o los mamíferos, son homólogas. De la misma manera, el extremo de la pata de un caballo es homólogo del dedo mediano de la mano y del pie humano. Figura 1.16 1 El concepto de homología está en el centro del método comparativo aplicado en Biología. Desde que Darwin explicó cómo se originó la diversidad de la vida, la comparación se realiza esencialmente entre componentes homólogos de los organismos. La comparación homóloga es la única legítima en el análisis filogenético que busca desentrañar la historia evolutiva de las formas de vida (fig. 1.16), como revisaremos más adelante en la cuarta unidad. 2 El método comparativo, también llamado de homología, estudia la relación entre los órganos que derivan de un antepasado común. 3 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= DISEÑO E INFORME DE UNA INVESTIGACIÓN Ningún proyecto científico se considera completo hasta que se prepara el informe de investigación, incluso el estudio más brillante tiene poco valor si no se difunde a la comunidad científica. El informe de investigación representa el resultado final del largo proceso de investigación y se hace con base en normas que permiten estructurar de manera lógica, la forma y el contenido del trabajo realizado (fig. 1.17). En general, todo informe de investigación está compuesto por: introducción, resumen, marco teórico, metodología, resultados y discusión, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. Figura 1.17 La introducción Es la comunicación inicial que permite conocer algunos detalles que motivan al lector a continuar con la lectura de todo el informe. Presenta el tema de investigación, los propósitos esenciales y datos generales del contenido de la investigación. Se describe el problema y su justificación, así como el objetivo general y varios objetivos específicos derivados del primero. Asimismo, se incluye una breve reseña bibliográfica (marco teórico) y la hipótesis. Además, se menciona cómo y dónde se realizó el trabajo. El resumen En el resumen se detalla, a manera de síntesis, todo el contenido del informe de investigación planteando las 3I9EACC Dos estructuras son homólogas si son morfológicamente semejantes y si esta semejanza se debe a que derivan de una estructura ancestral común. Es el caso de las alas del pterodactylus 1), el murciélago 2) y el ave 3). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Informe de investigación. Una vez concluida la investigación es necesario informar a la comunidad científica los resultados obtenidos. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 23 Biología general ideas principales, es decir, se presenta en términos breves y precisos la idea central de la investigación realizada. Debe incluir la justificación, objetivo general, principales resultados y conclusiones. La extensión del resumen varía según las indicaciones de las revistas científicas, algunas exigen un resumen de 75 palabras y otras permiten hasta 150 palabras como máximo. Marco teórico Este apartado, también llamado revisión de literatura, presenta los resultados más importantes obtenidos por otros investigadores sobre trabajos semejantes a los de la investigación de la cual se está escribiendo. Es importante señalar bajo qué condiciones obtuvieron los investigadores sus resultados para poder hacer una comparación objetiva con los propios resultados. Para dar el merecido crédito a los científicos consultados, se escriben sus apellidos y el año de su reporte o se indican con superíndices las fuentes de información. El marco teórico se plantea bajo un enfoque deductivo, esto es, desde lo más general hasta lo más específico. Cada aspecto debe ser comentado e interpretado con las ideas propias del investigador que escribe el informe. Metodología La sección de metodología comprende la descripción de las estrategias o acciones que se siguieron para realizar la investigación, explica cómo se realizó el trabajo y los elementos que se utilizaron. Se especifican las técnicas, los procesos, los instrumentos y el material químico y biológico empleados (fig. 1.18). Además, se detallan la muestra y la población de estudio. Es importante señalar con exactitud lo anterior con el propósito de que otros investigadores puedan repetir la investigación y corroborar o refutar los resultados. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Figura 1.18 Técnicas experimentales. La sección de metodología del informe de investigación debe especificar el material biológico utilizado y el tipo de mediciones realizadas. Resultados y discusión Se describen e interpretan los resultados; para ello, el investigador presenta los datos obtenidos en cuadros y/o gráficos, donde señala los modelos estadísticos y las pruebas de hipótesis que utilizó. Por lo general, en esta sección se relacionan los resultados obtenidos con los de otros investigadores y se explican las diferencias o semejanzas encontradas. Sin 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G24 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia embargo, algunos investigadores optan por discutir los resultados en una sección separada. En cualquier caso, se discuten los posibles alcances y significados de la investigación y se hace una interpretación acerca de los resultados obtenidos respecto de la información mencionada en el marco teórico (revisión de literatura), evitando, hasta donde sea posible, las especulaciones sobre el caso. Conclusiones Las conclusiones hacen referencia a los resultados concretos que se obtuvieron en el desarrollo de la investigación y que fueron presentados ampliamente en la sección de resultados. Se trata de una síntesis de los puntos más importantes y significativos encontrados. Éstos van acorde a los objetivos y la hipótesis planteados. Recomendaciones El investigador propone políticas, estrategias y medidas de acción a tomar por instituciones públicas o privadas que contribuyan a la solución del problema que investigó. Referencias bibliográficas Es la última parte del informe de investigación y enlista todas las fuentes consultadas, como libros, revistas, periódicos, boletines y referencias electrónicas o de internet. Existen normas generales para elaborar la lista de referencias bibliográficas, algunas de las cuales se detallan a continuación. El investigador que desea publicar su trabajo en alguna revista científica, debe revisar las normas de la misma para cumplir con los requisitos sobre la presentación de este apartado. Libros 1. Autor (apellidos y nombres) seguido de un punto. 2. Título de la obra, subrayado y seguido de un punto. 3. Número de edición (coma) ciudad de la edición (coma) nombre de la editorial (coma) fecha de edición. Ejemplo: Ashley, Ruth. Anatomía y terminología dental. Segunda Edición, México D.F., Editorial Limusa, 1979. 1. Autor (apellidos y nombres) seguido de un punto. 2. Título del artículo, entrecomillado y seguido de punto. 3. Nombre de la revista subrayado y seguido de punto. 4. Nombre de la editorial, seguido de una coma. 5. Lugar de la edición (coma) editor de la revista (coma) número de la revista, fecha de publicación y primera y última páginas del artículo. Ejemplo: González, José Roberto. “La investigación de los factores genéticos en la enfermedad periodontal”. Visión Odontológica. UEES, San Salvador, C. A., número 2, año 5, junio-diciembre 2001, pp. 11-16. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Revistas El informe de investigación comunica a la comunidad científica el resultado final del trabajo realizado. Generalmente consta de introducción, resumen, marco teórico, metodología, resultados y discusión, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 25 Biología general Figura 1.19 LABORATORIO DE BIOLOGÍA El laboratorio de Biología es el lugar equipado con diversos instrumentos, reactivos, materiales y equipos para realizar experimentos o investigaciones con seres vivos. Debido a la naturaleza de las sustancias y de los equipos que se manejan se pueden presentar accidentes con graves consecuencias. Los estudiantes y los maestros deben conocer y seguir las reglas de seguridad en todo momento a fin de garantizar la integridad de las personas que participan en las actividades científicas en estos espacios. Para evitar confusión al momento de llegar al laboratorio, y como consecuencia un accidente, es imprescindible que el estudiante tenga muy claro los pasos que va a seguir para realizar la práctica. Se recomienda que antes de entrar al laboratorio el estudiante elabore, bajo la guía del maestro, un diagrama de flujo que muestre la secuencia de las actividades que va a realizar. Reglas generales A continuación encontrarás algunas de las reglas más comunes que debes respetar cuando te encuentres en el laboratorio (fig. 1.19). Laboratorio de Biología. En el laboratorio hay material biológico y químico que puede resultar peligroso si no se respetan las reglas y medidas de seguridad. 1. Está prohibido fumar, comer o beber dentro del laboratorio. 2. Utiliza la bata de laboratorio y los anteojos de protección cuando la práctica lo indique. 3. Lee la etiqueta de cada reactivo antes de usarlo. 4. Observa los símbolos y frases de seguridad que señalan riesgos. 5. Lava y seca el material de vidrio después de utilizarlo. 6. Etiqueta y organiza el material que utilices. 7. Protege el equipo electrónico y los microscopios del polvo, humedad y las temperaturas extremas. Medidas de seguridad 2. Lava de inmediato con agua cualquier sustancia que te salpique. Reporta la salpicadura a tu maestro. 3. Mantén los líquidos inflamables retirados del mechero para evitar incendios. 4. Cuando calientes un tubo de ensayo, inclínalo para que la boca del tubo apunte lejos de ti y de los demás. 5. Familiarízate con los símbolos de seguridad e investiga qué se debe hacer en caso de accidente (fig. 1.20). 6. Investiga en dónde está el extinguidor de incendios, la ducha de seguridad y el botiquín de primeros auxilios, y aprende a usarlos correctamente. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. Avisa a tu maestro si se derrama alguna sustancia química, él te indicará cómo limpiar el área. Para evitar accidentes en el laboratorio de Biología, se deben seguir las reglas generales y respetar las normas de seguridad. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G26 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Figura 1.20 Símbolos de seguridad. Los alumnos deben familiarizarse con estos símbolos comunes en el laboratorio de Biología. EL MICROSCOPIO Uno de los instrumentos más utilizados en el estudio de la Biología es el microscopio (fig. 1.21). Se conocen distintos tipos de microscopios, entre ellos: el compuesto o fotónico, el electrónico, el microscopio de contraste de fases y el estereoscopio. Figura 1.21 El microscopio compuesto o fotónico es el más común en los laboratorios, su nombre se debe a que utiliza como fuente de iluminación la luz natural o la luz artificial de una lámpara. El microscopio fotónico consta de tres sistemas: óptico, de iluminación y mecánico. Cada sistema está constituido, a su vez, por varias partes, como se observa en el cuadro 1.8. El sistema óptico incluye las lentes oculares y objetivos. El sistema de iluminación comprende la lámpara, el espejo, el condensador y el diafragma. El sistema mecánico incluye todas las partes que constituyen el sostén de los otros dos sistemas: pie, brazo, tornillos, platina y revólver (fig. 1.22). Observación al microscopio. Este aparato permite observar células y microorganismos. Para formar una imagen es necesario que el objeto esté iluminado. En un microscopio, la luz utilizada se condensa y llega al espécimen (objeto en observación), cuya imagen es aumentada en dos ocasiones: la primera, al pasar por la lente objetivo, y la segunda, al pasar por la lente ocular (fig. 1.23). Figura 1.22 Tubo Revólver portaobjetivos Tornillo micrométrico Partes de un microscopio compuesto. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Lente ocular Lentes objetivos Platina (para colocar objetos) Condensador Diafragma Lámpara 0 G IA? P FLASH El microscopio (por su etimología micro: pequeño, y skopeo, examinar) es un instrumento óptico que permite observar objetos más pequeños que los que el ojo humano pueda ver. Tornillo macrométrico de la cremallera (para ajuste) 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 27 Biología general Cada lente del microscopio tiene un número que indica los aumentos que proporciona. Los microscopios compuestos, por lo general, tienen una lente ocular, que aumenta 10 veces la imagen del objeto (10x), y tres objetivos con aumento de 10, 40 y 100 veces, respectivamente. Cuadro 1.8 Sistemas de un microscopio compuesto Sistema Mecánico Iluminación Óptico Parte Función Pie Para apoyarlo en una superficie. Brazo Para manipularlo. Platina Se coloca la preparación. Revólver Para guiar los objetivos. Tornillos Para enfocar la preparación. Lámpara Es la fuente de luz. Espejo Refleja la luz del condensador. Condensador Condensa la luz hacia el objeto. Diafragma Regula la cantidad de luz. Oculares Lentes por donde se observa. Objetivo Lentes que aumentan la imagen. Figura 1.23 Para calcular el aumento de la imagen al que se observa, se multiplican los aumentos del ocular por los del objetivo que se esté utilizando de la siguiente manera: Ocular 10x Objetivo 10x aumento total de 100 veces Ocular 10x Objetivo 40x aumento total de 400 veces Ocular 10x Objetivo 100x aumento total de 1,000 veces I= =IM= 2a. Imagen agrandada Lente ocular Por tanto, el microscopio compuesto aumenta la imagen desde 100 hasta 1,000 veces. Para que la imagen aumentada pueda observarse con claridad, es necesario considerar el poder de resolución del microscopio. Objetivo La calidad de cualquier sistema óptico depende del poder de resolución. Con la luz visible como fuente de iluminación, como la del microscopio compuesto, no se pueden ver objetos menores de 0. 2 micras (1 micra= 0.001 mm). Para aumentar la resolución debemos utilizar una fuente de iluminación con una longitud de onda más corta que la de la luz blanca, como sucede cuando empleamos el microscopio electrónico. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? 1a. Imagen agrandada Espécimen P El poder de resolución es la capacidad de distinguir, por separado, a dos objetos o puntos muy cercanos entre sí. 0 G IA? Condensador Lámpara Ampliación de la imagen. El microscopio óptico tiene una serie de lentes que amplía la imagen del objeto observado. 3I9EACC El microscopio electrónico utiliza haces de electrones en lugar de “luz”, donde la imagen de los objetos adquiere aumentos de 20 mil a 200 mil veces. Con este tipo de microscopio se pueden observar objetos más pequeños que 0.0001 micras (cuadro 1.9). Sin embargo, el microscopio electrónico presenta una desventaja, no permite la observación de organismos vivos, ya que, además de requerir cortes extremadamente delgados para que puedan ser atravesados por los electrones, es necesario 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G28 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia someter las preparaciones a un proceso de “sombreado por medio de metales”, lo que mata a las estructuras vivas. Además, el microscopio electrónico tiene un alto costo y requiere de instalaciones adecuadas y personal capacitado para su manipulación (fig. 1.24). A pesar de estas limitaciones, la microscopia electrónica ha hecho posible estudiar con detalle la mayoría de los componentes celulares. Figura 1.24 Cuadro 1.9 Objetos observados con el ojo humano y el microscopio óptico y electrónico Medio de observación Poder de resolución Ejemplo de objeto visible Ojo humano 100 micras Punta de alfiler Microscopio óptico 0.2 micras Célula Microscopio electrónico 0.0001 micras Virus Con el microscopio de contraste de fases se pueden hacer observaciones de estructuras vivas en la que se resaltan ciertos detalles que se ven claramente definidos. Esto se logra con el uso de lentes y condensadores especiales. El microscopio estereoscópico se utiliza en las disecciones, debido a que su construcción permite la manipulación del espécimen y la formación de una imagen tridimensional, aunque tiene la desventaja de su bajo poder de resolución (fig. 1.25). 1.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS Microscopio electrónico. La imagen de los objetos llega a ser hasta 200 mil veces mayor que su tamaño real. Figura 1.25 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= En apartados anteriores aprendiste que la Biología es una ciencia que utiliza diferentes metodologías para estudiar a la gran variedad de organismos. Los seres vivos tienen una estructura organizada y compleja, se presentan en diversas formas, tamaños, colores y modos de relacionarse con su entorno; sin embargo, todos comparten una característica: están formados por células que, a su vez, tienen un ciclo vital, es decir, nacen, se desarrollan, se reproducen y mueren. 3I9EACC Los seres vivos necesitan nutrimentos para mantener sano su organismo. Tienen la capacidad de reproducirse y heredar sus características a través del ácido desoxirribonucleico (ADN) o el ácido ribonucleico (ARN) y pueden cambiar a través del tiempo para adaptarse a las exigencias el medio, o sea, evolucionan. Están formados de cuatro principales elementos: carbono (C), nitrógeno (N), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Además, los seres vivos tienden a mantener un balance entre su medio interno y el externo, para lo cual regulan la concentración de sales, el pH y su composición química, es decir, su equilibrio interno, proceso llamado homeostasis. Otra característica es que presentan irritabilidad, es decir, responden a estímulos externos como la luz, la temperatura, la presión y sustancias químicas. Microscopio estereoscópico. Su construcción permite manipular el especimen. Los seres vivos se caracterizan por: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Estar constituidos por células. Presentar un ciclo vital (nacen, crecen, se desarrollan, se reproducen y mueren). Necesitar nutrimentos. Utilizar ADN y ARN para heredar sus características. Evolucionar, es decir, sufrir variaciones a lo largo del tiempo. Estar formados principalmente por carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno. Presentar homeostasis o equilibrio interno. Responder a estímulos, esto es, son irritables. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 29 Biología general Figura 1.26 Tal vez hayas observado que algunos objetos no vivos tienen una o más de estas características, por ejemplo, algunos cristales de roca pueden “crecer”, sin embargo, sólo los seres vivos tienen la totalidad de las características descritas y muchas otras exclusivas de su especie. PRINCIPIOS UNIFICADORES Principios unificadores de la Biología. La unidad, la diversidad, la continuidad y el cambio son comunes en todos los seres vivos. En esta unidad aprendiste que la Biología estudia los fenómenos que ocurren en el mundo vivo y que utiliza el método científico para desarrollar conceptos y generalizaciones que explican la organización de la materia viva, su estructura, funciones y comportamiento para establecer semejanzas y diferencias entre los seres vivos. La vasta complejidad de estos conocimientos se ordena bajo el esquema de los niveles de organización, en donde se explica que la materia se organiza en niveles de complejidad creciente, ofreciendo la posibilidad de estudiarla bajo un enfoque integral y evolutivo. Este esquema da origen a los principios unificadores de la Biología: la unidad, la diversidad, la continuidad y el cambio, que constituyen los fundamentos a partir de los cuales pueden construirse nuevos conocimientos (fig. 1.26). Unidad. Este principio se refiere a todo lo que es común a los seres vivos, por ejemplo, el hombre y el insecto comparten el hecho de pertenecer al mismo reino, el animal. Esto se debe a su semejanza en cuanto a la organización química, estructural y funcional, es decir, ambos contienen los cuatro elementos esenciales (C, H, O y N), realizan procesos de homeostasis y de metabolismo, presentan irritabilidad y evolucionan para adaptarse al medio, entre otras características. Diversidad. Comprende la variedad de formas, tamaños, colores y estructuras que existen en los seres vivos, los cuales resultan de las diferencias genéticas y evolutivas. La diversidad biológica también comprende las diferencias en cuanto a la composición bioquímica, pues existen diferentes proporciones de los constituyentes químicos de cada tipo de organismo. Continuidad. Se refiere a la capacidad de los organismos de reproducirse y de transmitir sus características biológicas mediante su material genético. I= =IM= Figura 1.27 Cambio. Será relacionado con las modificaciones que hacen los seres vivos para adaptarse al medio, lo que se traduce en evolución. Los seres vivos tienen mayor posibilidad de sobrevivir a las exigencias del medio si presentan mayor variabilidad genética lo que les permite mantener un equilibrio dinámico con la naturaleza. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Los principios unificadores de la Biología son la unidad, la diversidad, la continuidad y el cambio. INTERACCIÓN DE LOS ORGANISMOS CON EL MEDIO 0 G IA? P Tomando como base las características de los seres vivos y los principios unificadores de la Biología, podemos inferir que existen dos funciones vitales principales que caracterizan a los organismos, la capacidad para metabolizar y la de autoperpetuarse. Principales funciones vitales. La autoperpetuación es un mecanismo de reproducción y de adaptación al ambiente. 3I9EACC La función de metabolizar se refiere al conjunto de reacciones químicas, como la síntesis de sustancias celulares, para crecer y reproducirse y la producción de energía, capacidades que permiten la supervivencia de los organismos como individuos y como especie. Mediante los mecanismos de autoperpetuación, los seres vivos controlan el metabolismo, se autorregulan, se reproducen y se adaptan a las condiciones del ambiente (fig. 1.27). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G30 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Otro factor que determina la interacción de los seres vivos con el medio es la biapócrisis, que es la forma en que un organismo hace frente al lugar donde vive. La biapócrisis se orienta al estudio de los organismos desde el punto de vista ecológico e incluye la reproducción, el crecimiento, el desarrollo y la supervivencia del ser vivo al entorno. Por tanto, la biapócrisis es la respuesta de los organismos al entorno en el que viven y dentro de sus procesos se incluyen el crecimiento o no crecimiento, la reproducción o no reproducción, el desplazamiento o no desplazamiento y la sobrevivencia o no sobrevivencia. Para concluir esta unidad, recuerda que el estudio de la Biología te permite explicar los fenómenos biológicos, reconociendo su magnitud y utilidad en tu entorno personal y social. Asimismo, te capacita para observar los fenómenos ambientales de manera crítica, constructiva y responsable. También es importante enfatizar que la aplicación del método científico facilita la generación de conocimientos y la búsqueda de explicaciones realizando inferencias, formulando hipótesis, buscando soluciones y comunicando resultados. Los seres vivos interaccionan con su entorno mediante la capacidad de metabolizar y de autoperpetuarse, así como por la biapócrisis o respuesta que tienen ante las condiciones ambientales. Metodología de investigación y características de los seres vivos 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. El método científico es un procedimiento para obtener nuevos conocimientos, consta de cuatro pasos generales: planteamiento del problema, formulación de la hipótesis, comprobación de la hipótesis y proposición de leyes, teorías y modelos. 2. Al iniciar una investigación se parte de una serie de observaciones y de un cuerpo de conocimientos científicos ya existentes sobre un fenómeno determinado, de los cuales se formula un problema. Una hipótesis es una explicación tentativa para resolver el problema planteado y la comprobación consiste en probar o no su validez. Una vez confirmada la hipótesis se establecen relaciones generalizadas que constituyen teorías o leyes. 3. En las investigaciones biológicas la comprobación de la hipótesis, por lo general, requiere de un diseño experimental, que consiste en trazar un plan para realizar los experimentos que comprueban lo planteado. En el diseño experimental se deben considerar los materiales a utilizar, las variables (dependientes e independientes), las constantes del experimento, el grupo testigo y el grupo experimental. 4. En un experimento controlado, el grupo testigo está conformado por muestras en la que no se incluyen variables y sirve de punto de comparación con el grupo experimental; en este último se introducen las variables. 5. Al realizar los experimentos, se registran los resultados que posteriormente se analizan para establecer la conclusión, que es la decisión del investigador para aceptar o rechazar la hipótesis correspondiente. 6. En la investigación biológica se utilizan, además del método experimental, el método observacional y el método comparativo. El primero fija la atención en la realidad a través de los sentidos para identificar hechos específicos. El método comparativo, también llamado de homología, establece semejanzas 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 31 Biología general y diferencias entre los objetos de estudio para determinar parentescos y patrones evolutivos. 7. Con el fin de difundir los avances científicos, es importante reportar los resultados de la investigación en un informe. El informe de investigación, por lo general, consta de las siguientes secciones: introducción, resumen, marco teórico, metodología, resultados y discusión, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. 8. El laboratorio de Biología contiene sustancias y equipo que pueden resultar peligrosos si no se conocen y aplican las reglas y medidas de seguridad adecuadas, como familiarizarse con los símbolos de seguridad, utilizar la bata de laboratorio y los anteojos de protección, mantener los líquidos flamables retirados del mechero y comunicar al maestro cualquier derrame de sustancias, entre otras. 9. El microscopio es un instrumento indispensable en el estudio de la Biología. El microscopio compuesto o fotónico utiliza luz natural o artificial y permite obtener aumentos de la imagen de hasta mil veces. Consta de un sistema mecánico (de soporte), un sistema óptico (lentes) y un sistema de iluminación (relacionado con luz y su trayectoria). 10. El microscopio electrónico utiliza haces de electrones como fuente de iluminación, con él se obtienen aumentos de la imagen de hasta 200 mil veces. Con este tipo de microscopio no es posible ver estructuras vivas, no obstante, permite estudiar la ultraestructura celular. 11. Con el microscopio de contraste de fases se resaltan ciertos aspectos de la imagen del objeto observado. El microscopio estereoscópico permite la formación de imágenes tridimensionales y su uso es común al efectuar disecciones biológicas. 13. Los principios unificadores de la Biología son: la unidad (todo lo que es común y unifica a los seres vivos), la diversidad (las diferencias genéticas, bioquímicas y evolutivas de los organismos), la continuidad (capacidad de reproducirse y transmitir caracteres), y el cambio (evolución o modificación del ser vivo para adaptarse al medio). 14. Las principales funciones vitales de los seres vivos son el metabolismo y la autoperpetuación. El metabolismo comprende las reacciones químicas que realiza el organismo para mantenerse vivo. La capacidad de autoperpetuarse se refiere a los mecanismos, como el metabolismo, la autorregulación, la reproducción y el cambio, que permiten al ser vivo adaptarse al medio que habita. 15. La biapócrisis estudia los seres vivos desde su entorno ecológico para determinar cómo la reproducción, el crecimiento y el desarrollo permiten que el organismo sobreviva o no sobreviva a los cambios ambientales. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 12. Los seres vivos poseen características que los distinguen de los objetos no vivos. Entre las características más sobresalientes se encuentran el estar formados por células, tener un ciclo vital, necesitar nutrimentos, utilizar ADN y ARN para heredar sus características, estar formados por C, H, O y N, evolucionar, presentar homeostasis y ser irritables. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G32 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Términos biológicos ambiente Entomología método observacional anatomía evolución método comparativo autoperpetuación experimentación micología Bacteriología Ficología Biología Fisiología microscopio de contraste de fases biapócrisis Genética Botánica Helmintología ciencia Herpetología ciclo celular hipótesis Ornitología citología Histología Paleontología continuidad homeostasis Parasitología diversidad Ictiología Taxonomía Ecología Mastozoología Virología Embriología metabolismo Zoología microscopio electrónico microscopio estereoscópico 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= microscopio fotónico 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 33 Biología general 1. A William Hervey se le atribuye la invención del microscopio. f 4. La taxonomía es una rama biológica que estudia los tejidos. v 2. Watson y Crick postularon un modelo de la estructura del ADN. f 5. En un diseño experimental, el grupo testigo está formado por las personas que observan el experimento. f v 3. Una de las principales líneas de investigación de la Biología actual es el mejoramiento del ambiente. f 6. El microscopio electrónico es 50 veces más potente que el microscopio fotónico. 1. Se le considera como el fundador de la Biología. Aristóteles 2. Investigador que descubrió la vacuna antirrábica e hizo estudios sobre la fermentación. Louis Pasteur 3. Científico de origen mexicano que recibió el premio Nobel por sus investigaciones sobre la capa de ozono. Mario Molina 4. Rama de la Biología que estudia los seres vivos. Biología 5. Paso del método científico que se plantea como posible respuesta a un problema. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Hipotésis 7. Propiedad del microscopio que permite distinguir por separado dos puntos muy cercanos entre sí. Resolución 1. La Biología es una ciencia en la que los conocimientos se encuentran ordenados y relacionados entre sí, esto significa que es: 0 G IA? P a) Objetiva b) Metódica c) Sistemática d) Fáctica 2. Investigador que descubrió el antibiótico producido por el hongo Penicillium notatum: a) James Watson b) Gregor Mendel c) Konrad Lorenz d) Alexander Fleming 3. ¿En qué campo de la Biología trabajan Morgan, Ochoa, Jacob y Monod? a) Ictiología 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G34 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E b) Anatomía 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = c) Genética 2: B 0=E I9C d) Botánica UNIDAD 1 La Biología como ciencia 4. El estudio del ciclo de vida de algunos insectos corresponde al campo biológico llamado: a) Entomología b) Ornitología c) Micología d) Ecología 5. La siguiente expresión: ¿Cuál es el efecto de regar verduras con aguas negras? Corresponde al paso del método científico llamado: a) hipótesis b) problema c) experimentación d) diseño experimental 6. Dos partes del microscopio que pertenecen al sistema de iluminación. a) pie y brazo b) condensador y diafragma c) ocular y objetivo d) tornillos y revólver 7. ¿Cuál de las siguientes ramas auxiliares de la Biología se utiliza en el estudio de la formación de la imagen en el ojo humano? a) Química b) Fisiología c) Física d) Anatomía Escribe en el lugar que corresponda en la línea del tiempo a los siguientes investigadores de la Biología: 1. Konrad Lorenz, padre de la Etología. 2. Filósofos naturalistas, explicación materialista de la naturaleza. 3. Roberto Hooke, llamó células a las celdas del corcho observadas con el microscopio. 4. Aristóteles, pionero del método científico. 5. Thomas Morgan, la herencia radica en los cromosomas. 6. Warren y Marshall, la gastritis es causada por una bacteria. 7. Vesalio, realizó disecciones en cadáveres humanos. 9. Galeno, realizó disecciones en monos. 10. Charles Darwin, evolución de los seres vivos por selección natural. 11. Alexander Fleming, descubrió la penicilina. 12. Leonardo Da Vinci, estudió las proporciones del cuerpo humano. 13. Paul Lauterbur y P. Mansfield, avances en resonancia magnética y tomográfica. Etapa antigua 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 8. Schwann y Schleiden, autores de la teoría celular. 2 3I9EACC 4 Etapa del renacimiento 9 12 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 7 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Etapa moderna 10 11 8 I 7 = 2: Etapa contemporanea 1 6 5 B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 35 Biología general Piensa y contesta en tu cuaderno 1. Indica cuáles son las principales líneas de investigación a las que se enfoca la Biología actual. 2. Utilizando la tabla de prefijos y sufijos de uso común en la Biología, anota el significado de los siguientes términos: r1TFVEÓQPEP r)FUFSÓUSPGP r"CJÓUJDP r)JESÓàMP r1PMJHÊOJDP 3. ¿Cuáles fueron las principales ideas que se propusieron en el siglo xix y que consolidan a la Biología como ciencia? 4. ¿Por qué se consideran como investigaciones de Biología molecular a la mayoría de las realizadas en el siglo xx? 5. ¿Por qué es necesario seguir el método científico al realizar investigaciones? ¿Cuáles son sus pasos? 6. ¿Cuál es la alternativa a seguir cuando una hipótesis no explica de manera correcta un fenómeno? 7. ¿Cómo se forma una imagen en el microscopio? 1. ¿Cómo pueden contribuir cada una de las especialidades biológicas al mejoramiento de la calidad de vida del hombre? 2. Comenten por equipo y elaboren una conclusión sobre la importancia de los avances de la microscopia y su relación con la Medicina. 3. Realiza la lectura de algún capítulo del libro Los cazadores de microbios, de Paul de Kruif, e identifica los pasos del método científico utilizados por alguno de los investigadores. Arma tus conocimientos r Experimentación P Usando las siguientes palabras o frases, completa el mapa conceptual del método científico. r Variables y constantes 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 4. A partir del siguiente problema, elaboren (por equipos) una hipótesis y un diseño experimental para comprobarla. ¿Cuál es la relación entre una adecuada alimentación y el aprendizaje de los niños en la primaria? r Repetición del fenómeno modificado r Materiales r Formulación de leyes y teorías r Formulación de hipótesis 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G36 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia Planteamiento del problema Posible respuesta lógica Diseño experimental Comprobación de la hipótesis La Biología en tu comunidad 1. Investiguen por equipos cuáles son los principales problemas de deterioro del ambiente en su comunidad. Seleccionen alguno y apliquen los pasos del método científico experimental a fin de llegar a conclusiones que se puedan poner en práctica para solucionar el problema. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2. Acudan a diversos centros de salud e investiguen qué se está haciendo para resolver los problemas inmunológicos y bacteriológicos que afectan a su comunidad. Realicen un debate con la información recabada. 3. Por equipos, diseñen una encuesta para conocer la opinión de su comunidad sobre la importancia de la Biología en la actualidad. Apliquen la encuesta a un mínimo de 20 personas y expongan los resultados frente a su grupo, auxiliándose con cuadros o gráficas. 4. Por equipos, elaboren un periódico mural con noticias recientes tomadas de periódicos o revistas, cuyos temas sean de interés biológico. Coloquen el periódico en un lugar visible en la escuela. Descubre y comprueba 1 0 G IA? P ¿Cómo se maneja un microscopio? Laboratorio 1.1 Lee antes de empezar El microscopio es un instrumento indispensable en el estudio de la Biología. Las investigaciones sobre la estructura celular se han llevado a cabo gracias a este instrumento. El microscopio compuesto o fotónico es el más común en el laboratorio; su manejo adecuado permite observar con precisión las preparaciones usadas en Biología. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 37 Biología general Objetivo Utilizar de manera correcta el microscopio. y2VÊTFOFDFTJUB r Microscopio compuesto r Cabellos negros y rubios r Portaobjetos r Pan con hongos (moho) r Cubreobjetos r Solución de azul de metileno r Letra pequeña recortada r Palillos de dientes Sigue los pasos 1. Las instrucciones generales para el manejo del microscopio son: a) Transporta el microscopio con las dos manos, una por debajo de la base, y otra en el brazo de la columna. b) Colócalo a 15 cm del borde de la mesa. c) Identifica cada una de las partes del microscopio. d) Coloca el objetivo de menor aumento (10x) en su posición de enfoque (se siente un “clic” cuando encaja en su sitio). e) Regula la intensidad de la luz moviendo la palanca del diafragma para obtener la cantidad correcta de luz. f) Coloca la preparación que vas a observar sobre la platina, procurando que la muestra quede al mismo nivel del orificio de la platina, sujeta el portaobjetos con las pinzas. g) Viendo el microscopio lateralmente, usa el tornillo macrométrico para subir de manera gradual la platina hasta que el objetivo llegue al topo, o hasta que se encuentre aproximadamente a 2 mm de la preparación. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= h) Observando por el ocular, baja de manera gradual la platina hasta que logres ver la preparación. 3I9EACC i) Al observar la muestra, si el enfoque no es claro, mueve lentamente el tornillo macrométrico hasta obtener una nitidez total. Nota: la observación a través del ocular debe hacerse con ambos ojos abiertos, evitando así la fatiga. j) Si deseas observar con el siguiente aumento del objetivo (40x), gira el revólver para colocar la lente en la posición de enfoque. Cuando se hace este cambio, ya no hay necesidad de usar el tornillo macrométrico, sólo el micrométrico para afinar la imagen. Nota: cuando uses el objetivo de 100x o de inmersión, es necesario que coloques una gota de aceite de inmersión encima del cubreobjetos antes de proceder a enfocar. 2. Observación de la letra A. a) Traza una pequeña letra A en papel, recórtala y elabora un montaje húmedo, poniendo la letra en un portaobjetos. b) Enfoca la preparación y observa por el ocular para localizar la letra, mueve el portaobjetos lentamente hacia adelante y hacia atrás, hacia la derecha y hacia la izquierda. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G38 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia 3. Observación de cabellos a) Haz una preparación con dos cabellos, uno rubio y otro negro; colócalos cruzados uno sobre otro, de manera que el cruce quede en el centro del campo del microscopio. Obsérvalos con el menor aumento (10x) y con un aumento mayor (40x). b) Mueve el tornillo micrométrico y enfoca cada uno de los cabellos. 4. Observación de los hongos a) Con un palillo de dientes, toma una pequeña porción de los hongos que se encuentran en el pan. b) Colócalos en dos portaobjetos; al primero se le añade una gota de agua, y al segundo, una gota de azul de metileno. Cubre cada preparación con el cubreobjetos, y observa las dos preparaciones al microscopio. y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Dibuja un esquema del microscopio señalando sus partes. 2. ¿De qué depende el éxito de una buena observación en el microscopio? 3. Haz un esquema de la preparación de la letra A. 4. ¿Qué observas en el microscopio al mover la preparación a la izquierda o hacia arriba? ¿Qué significa esto? 5. Calcula el aumento total de las imágenes observadas a menor aumento (10x) y a mayor aumento (40x). 6. Haz un esquema de la preparación de los cabellos a ambos aumentos. 7. Realiza un esquema de la preparación de los hongos a ambos aumentos. 8. Anota en forma abreviada las principales reglas para usar de manera correcta un microscopio. 9. Explica la importancia del microscopio en el laboratorio. Descubre y comprueba 2 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= ¿Cómo se aplica el método científico en una investigación biológica? 3I9EACC Laboratorio 1.2 Lee antes de empezar En las investigaciones biológicas se aplica el método científico para llegar a nuevos conocimientos. Los pasos generales del método científico son: planteamiento del problema, formulación de la hipótesis, comprobación y proposición de leyes, teorías y modelos. Objetivo Aplicar los pasos del método científico en una investigación biológica experimental. y2VÊTFOFDFTJUB r 3 recipientes de cartón para leche (tetrapack) vacíos r 50 semillas de alguna de las siguientes plantas: frijol, lenteja, haba o mostaza r Algodón 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 39 Biología general r Papel celofán azul, amarillo, verde, rojo y transparente r Papel cartoncillo r Agua r Regla r Tijeras Sigue los pasos 1. De cada uno de los recipientes para leche, recorta uno de sus cuatro lados y utilízalo como división, de tal manera que queden tres recipientes divididos en dos partes cada uno como se muestra en la figura. 2. Enumera cada porción de los recipientes de tal manera que queden numeradas del 1 al 6 como se ve en la figura. 3. En la base de cada sección coloca algodón humedecido y, encima de éste, ocho semillas de frijol. 1 2 Número de sección 3 4 Número de sección 5 6 4. Cubre la sección 1 con un pedazo de papel celofán verde; la sección 2, con papel celofán rojo; la sección 3, con papel celofán amarillo; la sección 4, con papel celofán azul; la sección 5, con cartoncillo negro, y la sección 6 (grupo testigo) con celofán transparente. Papel celofán de diferentes colores P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Número de sección Tapa de cartón negro Celofán transparente 0 G IA? Algodón húmedo y semillas 5. Coloca los recipientes en un lugar cálido que reciba luz natural. 6. Observa la germinación y desarrollo de las semillas durante 10 días, anotando cualquier cambio y midiendo la longitud de las plántulas una vez que crezcan. Si el algodón se seca, vierte agua para humedecerlo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G40 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 1 La Biología como ciencia 7. Registra los datos en un cuadro como el que se muestra a continuación. Observaciones/longitud (cm) Color de la tapa Número de días 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Verde Rojo Amarillo Azul Negro Transparente 8. Haz una gráfica de tus resultados sobre el sistema de ejes que se muestra a continuación. ¿Qué propones para identificar cada experimento en tu gráfica? Longitud (cm) 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Días 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Qué es un grupo testigo? ¿Cuál fue tu grupo testigo? 2. ¿Qué es un grupo experimental? ¿Cuáles fueron los grupos experimentales en este ejercicio? 3. ¿En cuál recipiente observaste mayor germinación? ¿En cuál hubo menos germinación? 4. Discute las causas de las diferencias encontradas en la germinación. Anota tus conclusiones. 5. Incrementa la gráfica que elaboraste. ¿Qué color de papel permitió mayor crecimiento de las plántulas? ¿Con cuál crecieron menos? ¿A qué atribuyes estos resultados, es decir, cuál es tu hipótesis? 6. Analiza los resultados y redacta las conclusiones correspondientes, aceptando o rechazando tus hipótesis. 7. Elabora un reporte que incluya: a) problema planteado; b) hipótesis; c) diseño experimental (materiales, grupos testigo y experimentales, variables y constantes); d) resultados, y e) conclusiones. Anéxalo a tu práctica. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 41 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C ¡Echa un vistazo a lo que aprenderás! ¿Cuáles son los elementos químicos indispensables para la vida? ¿Qué función tienen los carbohidratos y los lípidos en el metabolismo celular? ¿Por qué son tan importantes para la vida las proteínas, el ATP y los ácidos nucleicos? ¿Cómo pasan las sustancias de un lado a otro de la célula? ¿Cómo ocurre la respiración y la fotosíntesis y cómo se relacionan ambos procesos? ¿Qué sucedería en el planeta si no existiera la 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= fotosíntesis? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Biología general INTRODUCCIÓN Toda la materia del planeta está formada por los mismos átomos y elementos. Las moléculas de los seres vivos se rigen por las mismas leyes físicas y químicas que las de la materia inerte. Entonces, ¿qué es lo que diferencia a un ser vivo de un objeto sin vida? Parece ser que la evolución química que llevó a la formación de biomoléculas y la evolución orgánica que dio origen a las células marcaron esa diferencia, la cual se manifiesta en la complejidad y la regulación de los procesos que ocurren en las células y no en los objetos inertes. En esta unidad revisarás los niveles de organización de la materia y a la célula como la unidad estructural y funcional de la vida. 2 .1 NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA FLASH Un grano de arena o una gota de agua tienen tantos átomos que ninguna persona alcanzaría a contarlos uno a uno durante toda su vida. Para comprender los procesos biológicos primero debemos conocer el origen de la materia que forma a los seres vivos. El estudio de la naturaleza, composición y cambios que sufre la materia corresponde a la Química ciencia que define a la materia como todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, y se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso, según la intensidad de las fuerzas que mantienen unidas sus partículas y la temperatura a la que están expuestas. Materia es lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. En el mundo vivo se reconocen diversos grados de complejidad de la materia, los cuales se interrelacionan entre sí, conformando una estructura jerárquica conocida como niveles de organización de la materia (fig. 2.1). Todos los constituyentes de la materia, desde los elementos hasta los ecosistemas, están formados por átomos; cada nivel se conforma por la organización de los anteriores. A continuación describimos cada uno de los niveles de organización. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. Átomo. Es la parte más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades. Está constituido por las partículas subatómicas. 2. Molécula. Es la unión de dos o más átomos; algunas moléculas son sencillas, como el H2O (agua) y el CO2 (bióxido de carbono) y otras son complejas, como las proteínas, los carbohidratos y los ácidos nucleicos. 3. Célula. Primer nivel vivo que se conforma de organelos construidos principalmente por biomoléculas. 4. Tejido. Conjunto de células especializadas que realizan alguna función determinada. 5. Órgano. Conformado por la unión de varios tejidos. 6. Sistema. Se denomina a los órganos que conforman un conjunto y realizan una función en el cuerpo. 7. Individuo. Los aparatos y sistemas forman un conjunto organizado que tiene vida propia. 8. Población. Conjunto de individuos de la misma especie que habita una región determinada. 9. Comunidad. Está conformada por las diversas poblaciones que cohabitan un área y se interrelacionan entre sí. 10. Ecosistema. Formado por comunidades en un ambiente. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G44 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 En el cuadro 2.1 se observan los niveles de organización y la rama de la Biología que estudia cada uno. Cuadro 2.1 Niveles de organización de la materia Nivel Ejemplo Lo estudia Átomo Carbón Química Biomoléculas Carbohidratos y proteínas Bioquímica Células Clorénquima en plantas y hepatocitos en animales Citología Tejidos Xilema en plantas y conectivo en animales Histología Órganos Hoja en plantas y corazón en animales Anatomía y Fisiología Sistemas De conducción y nervioso Anatomía y Fisiología Individuo Elodea y pez Botánica y Zoología Poblaciones De Elodea y cardumen Ecología Comunidades Algas, plantas y animales acuáticos Ecología Ecosistema Ecosistema de laguna Ecología ÁTOMOS, MOLÉCULAS, ELEMENTOS Y COMPUESTOS La unidad básica de la materia es el átomo. Aunque el término átomo significa indivisible, ahora sabemos que están constituidos por unidades más pequeñas. átomo molécula simple biomolécula célula 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= El átomo es la partícula más pequeña capaz de intervenir en una reacción química. Nadie ha podido ver uno, son tan pequeños que ni con el microscopio electrónico más potente pueden ser observados; sin embargo, con la ayuda de diversos instrumentos y técnicas se ha podido determinar su comportamiento, así como deducir su estructura y propiedades. Figura 2.1 tejido 3I9EACC órgano 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E individuo 3I G 2 A IA9C 9 IA9 población, comunidad, ecosistema I 7 = 2: Niveles de organización de la materia. Desde el átomo hasta los ecosistemas, la materia se presenta en niveles jerárquicos, cada uno constituido por la organización de los niveles anteriores. B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 45 Biología general Figura 2.2 Protón Neutrón Electrón + + - El átomo es la partícula más pequeña que conserva las propiedades de la materia y representa las características de un elemento. En el siglo xix, con el descubrimiento de los rayos X confirmaron que el átomo está formado por partículas más pequeñas llamadas subatómicas, como los protones, neutrones y electrones. Recientemente se reconoce también a los quarks y a los leptones. Núcleo El átomo está integrado por un núcleo central y una nube o envoltura electrónica. El núcleo está compuesto por protones y neutrones; la envoltura es una nube de electrones como se observa en la figura 2.2. El número y disposición de las partículas subatómicas determina las propiedades químicas de la materia (fig. 2.3). Cada partícula subatómica se distingue por su carga, localización y masa (cuadro 2.2). El movimiento del electrón es tan rápido que da la impresión de estar en todos los puntos de la órbita al mismo tiempo. Ésta es la razón por la cual en las representaciones gráficas de los átomos, se muestra como una nube electrónica alrededor del núcleo. Las reacciones químicas que ocurren entre los elementos dependen de sus electrones. Modelo de un átomo con el núcleo central y la nube electrónica. Los protones se representan por el signo +, los neutrones por ± y los electrones por . El átomo está formado por unidades más pequeñas llamadas partículas subatómicas, de las cuales las más importantes son: los protones, los neutrones y los electrones. Cuadro 2.2 Características de las partículas subatómicas Partícula Símbolo Masa o peso (u. m. a. ) Localización en el átomo + p+ Núcleo 1 Neutrón ± n , nº n± Núcleo 1 Electrón e— + Figura 2.3 0.00055 (1/1800) Girando alrededor del núcleo 1e- 2e- 4e- 2e- 6p+ 7p+ 6no 7no b) Átomo de carbono c) Átomo de nitrógeno 1p+ 5e- 2e8p+ 8no 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Protón Carga a) Átomo de hidrógeno d) Átomo de oxígeno Estructuras atómicas. El número de partículas subatómicas confiere a cada elemento sus características. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G46 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C 6e- UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos MOLÉCULAS, ELEMENTOS Y COMPUESTOS Los átomos, por lo general, no se encuentran aislados en la naturaleza, sino interactuando entre sí para formar moléculas. Cuando éstas tienen átomos del mismo tipo forman elementos, y cuando los átomos de las moléculas son diferentes, se forman compuestos. Cuando dos átomos de una misma clase se unen, se forman moléculas denominadas diatómicas. Es común encontrar en la naturaleza moléculas diatómicas de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. En otros casos, se unen tres átomos iguales formando una molécula triatómica, como el ozono (fig. 2.4). Una molécula se forma por la unión de dos o más átomos. Las moléculas pueden ser diatómicas (hidrógeno), triatómicas (ozono) o compuestos (agua). Figura 2.4 Molécula diatómica Hidrógeno (H2) Molécula triatómica Compuesto Ozono (O3) Agua (H2O) 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Diferentes clases de moléculas según el número y tipo de átomos 3I9EACC Toda la materia viva y la inerte está formada por elementos químicos. Un elemento químico es una sustancia compuesta por átomos iguales que no se descompone en otra más simple por métodos químicos. Por lo tanto, una sustancia es cualquier porción de materia que tiene las mismas propiedades físicas y químicas. La madera, el vidrio, el hule, el gis y la sal son ejemplos de sustancia. Cada elemento se distingue por el número de protones que contiene en el núcleo. La cantidad de protones, llamado número atómico, junto con los neutrones, confieren estabilidad al átomo. Sin embargo, existen átomos de un mismo elemento con igual número atómico pero diferente número de neutrones. Los átomos con este tipo de distribución reciben el nombre de isótopos. Algunos isótopos tienen núcleos muy inestables y emiten radiaciones que se pueden identificar, por lo que son utilizadas en medicina para diagnosticar o tratar algunas enfermedades. En la actualidad, se conocen 91 elementos naturales y 27 elaborados por el hombre mediante reacciones nucleares. De los elementos naturales, sólo 25 son esenciales para los seres vivos y de éstos, los más abundantes son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Estos elementos, conocidos en conjunto como CHONPS, se encuentran en la atmósfera, la corteza terrestre, el mar y la biosfera (cuadro 2.3). La vida de plantas y animales depende de la complejidad de las relaciones mutuas de estos elementos. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 47 Biología general Los elementos están constituidos por átomos del mismo tipo y los compuestos por átomos diferentes. Los isótopos son átomos que tienen igual número atómico, pero diferente número de neutrones. FLASH Un símbolo químico es una abreviatura convencional formada por 1 o 2 letras para representar un elemento. Los símbolos de algunos elementos químicos se derivan de su nombre original en otros idiomas. Sodio Na Natrium Oro Au Aureum Plata Ag Argentum Potasio K Kalium Fósforo P Phosphorus Azufre S Sulphur Cobre Cu Cuprum Cuadro 2.3 Proporción de algunos elementos en el ser humano Símbolo químico Número atómico Porcentaje en masa en el cuerpo humano Hidrógeno H 1 9. 5 Carbono C 6 18. 0 Nitrógeno N 7 3. 0 Oxígeno O 8 65. 0 Na 11 0. 2 Fósforo P 15 1. 0 Azufre S 16 0. 3 Potasio K 19 0. 4 Calcio Ca 20 1.5 Hierro Fe 26 trazas Nombre 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Sodio 3I9EACC Los compuestos están formados por dos o más elementos unidos entre sí por enlaces iónicos, covalentes y puentes de hidrógeno. Cada compuesto tiene características particulares que, generalmente, difieren de las de los elementos que lo forman. El agua, por ejemplo, es un compuesto que tiene una molécula constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; en condiciones normales el agua se presenta en estado líquido, mientras que los elementos que la componen, hidrógeno y oxígeno, son gases en forma natural. Otra característica de los compuestos es que sus elementos no se pueden separar fácilmente por medios físicos. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G48 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Los compuestos se clasifican en orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos están formados por cadenas largas en las que el carbono es el componente principal, entre estos compuestos están: los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Los compuestos inorgánicos no tienen carbono como componente principal, entre estos compuestos destacan el agua, el bióxido de carbono (que tiene carbono, pero no forma cadenas) y el cloruro de sodio. Figura 2.5 a Los compuestos están formados por la unión química de dos o más elementos. Cada compuesto tiene características propias diferentes de las que poseen los elementos que lo conforman. Los compuestos se clasifican en orgánicos e inorgánicos. b MEZCLAS Y COLOIDES Así como los elementos se unen para formar compuestos, éstos interactúan entre sí y constituyen mezclas. Las mezclas son sustancias que al unirse no pierden sus propiedades individuales ni hay desprendimiento o absorción de energía. Además, a diferencia de los compuestos, sus componentes sí se pueden separar por medios físicos y mecánicos. Con base en su estado físico, las mezclas pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. Un ejemplo de mezcla sólida es el suelo, de mezcla líquida, el petróleo, y de mezcla gaseosa, el aire (fig. 2.5). c Existen diferentes tipos de mezclas según la distribución de sus componentes. Hay mezclas homogéneas y heterogéneas, cada una con diferentes propiedades, por lo que desempeñan funciones específicas en los seres vivos. Las mezclas homogéneas están formadas por sustancias distribuidas uniformemente. Son ejemplo de este tipo de mezclas las soluciones, como el azúcar disuelta en agua, así como el aire, el petróleo y los coloides. Por otra parte, las sustancias de las mezclas heterogéneas no están distribuidas de manera uniforme, como ocurre en el caso de las suspensiones de arena y agua o de aceite y agua. El polvo en el aire y el cemento también son ejemplo de mezclas heterogéneas. Solución Soluto Solvente Homogéneas Mezclas Coloide Fase dispersora Fase dispersa (micelas) 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= En el siguiente esquema puedes observar la clasificación de las mezclas y algunos de sus componentes. Mezclas. a) Mezcla sólida: suelo, b) mezcla líquida: petróleo, c) mezcla gaseosa: aire. Heterogéneas 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Suspensión 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 49 Biología general La mezcla homogénea más común es la solución, la cual está formada por dos o más sustancias, una de las cuales recibe el nombre de soluto, y la otra de solvente o disolvente. Figura 2.6 El soluto es la sustancia disuelta y, por lo general, es el componente de menor cantidad; el solvente es la sustancia en la que se disuelve el soluto y que se encuentra en mayor proporción. Una de las características de las soluciones es que las partículas del soluto no se sedimentan, pues su tamaño es muy pequeño, generalmente menor a 0.0001 micras. a b La sangre es una suspensión. a) La sangre contiene glóbulos rojos (eritrocitos), glóbulos blancos (leucocitos), plaquetas y plasma. b) El plasma, a su vez, contiene glucosa, grasas, proteínas, vitaminas, minerales y aminoácidos. El solvente en el que ocurren la mayoría de las reacciones químicas en los seres vivos es el agua. Las sustancias de las que se nutren las plantas están disueltas en agua y los líquidos corporales de los animales también son soluciones acuosas de diferentes sustancias. Algunos medicamentos son soluciones acuosas o alcohólicas de diversos compuestos. Dentro de las mezclas heterogéneas podemos citar las suspensiones que, al igual que las soluciones, están compuestas por dos sustancias, una disuelta en otra. Sin embargo, en la suspensión el tamaño de las partículas es mayor que 0.1 micras, por ello, las partículas de la suspensión se sedimentan si ésta no se agita continuamente. La sangre y algunos medicamentos son ejemplos de suspensiones (fig. 2.6). La mezcla es la unión de dos o más sustancias que no se combinan químicamente entre sí. Pueden ser homogéneas, si sus componentes están uniformemente distribuidos, o heterogéneas, si no lo están. Son ejemplo de las mezclas homogéneas las soluciones, formadas por el soluto y el solvente, y de las mezclas heterogéneas, las suspensiones. Los coloides constituyen otra clase de mezclas. Tienen características intermedias entre las soluciones y las suspensiones y son importantes porque el citoplasma está conformado por coloides. El tamaño de las partículas de los coloides varía entre 0.1 y 0.0001 micras, es decir, es mayor que el de las soluciones y menor que el de las suspensiones. En los coloides se distinguen dos fases: la fase dispersora, que corresponde al medio de la suspensión, y la fase dispersa o soluto. Las partículas en suspensión reciben el nombre de micelas. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= El citoplasma es un coloide formado por moléculas de bajo peso o tamaño, como el cloruro de sodio y la glucosa, y por macromoléculas de mayor tamaño, como las proteínas. 3I9EACC La composición química de los coloides les proporciona ciertas propiedades de importancia biológica que confieren estabilidad a las células de los seres vivos. A continuación se explican algunas de estas propiedades: El coloide es un estado intermedio entre la solución y la suspensión. Presenta dos fases: la sol y la gel. Entre sus propiedades se distinguen la capacidad de mantenerse en suspensión, la viscosidad, el movimiento browniano, la adsorción y la turbidez. El citoplasma es un ejemplo de coloide. r .BOUFOFSFMFTUBEPEFTVTQFOTJÓO Los coloides se mantienen en suspensión en las condiciones normales gravitatorias, lo que confiere estabilidad a la célula. r 7JTDPTJEBE El grado de viscosidad del coloide citoplasmático varía según la concentración de macromoléculas. El citoplasma se encuentra en dos fases: fase sol y fase gel. La fase sol es el estado parecido al líquido y es la forma en la que se encuentra el citoplasma. La fase gel es el estado semejante al sólido debido a la mayor concentración de moléculas. Ambos estados cambian continuamente de una fase a otra dentro de la célula, dependiendo de la carga iónica y de factores como la temperatura y el pH del medio (fig. 2.7). r .PWJNJFOUP CSPXOJBOP Es el movimiento errático que presentan las partículas en un medio. El movimiento de las moléculas del coloide citoplasmático favorece que se lleven a cabo las reacciones metabólicas (fig. 2.8). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G50 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Figura 2.7 Figura 2.8 (+) (+) Presa (+) (+) (+) Pseudópodos (+) (+) (+) Amiba Micela Movimiento browniano Amiba. Las amibas se desplazan y engullen a sus presas por medio de los pseudópodos, que se forman por cambios en el citoplasma de fase sol a fase gel. Movimiento browniano. Observa que las cargas eléctricas de las micelas son iguales, por lo que las partículas se repelen entre sí. r "ETPSDJÓO Los coloides tienen una alta capacidad de adsorción, es decir, captan y retienen partículas sobre su superficie. Esta propiedad facilita la atracción molecular y, por tanto, las reacciones citoplasmáticas. r 5VSCJEF[ Debido al tamaño de sus moléculas, los coloides refractan la luz, fenómeno que se conoce como efecto Tyndall. Por esta razón, el citoplasma presenta un aspecto turbio. I= =IM= 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Mezcla Aspecto Sedimentación Tamaño de las partículas (micras) Solución Transparente No < 0.0001 Coloide Turbio No 0.0001 — 0.1 Suspensión Turbio Sí > 0.1 0 G IA? Cuadro 2.4 Tipos de mezclas P En el cuadro 2.4 puedes comparar las características de los tipos de mezclas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: Representación esquemática B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 51 Biología general PIENSA RÁPIDO POTENCIAL DE HIDRÓGENO (pH) Compara el pH del jugo de limón con el del vinagre. ¿Por qué el vinagre te puede causar daño y el jugo de limón no? Las reacciones químicas de los seres vivos se realizan en medios acuosos cuando las condiciones de temperatura y pH son adecuadas. El pH (potencial de hidrógeno) indica el grado de acidez o alcalinidad de una solución, expresado en una escala cuyo rango varía de 0 a 14. El agua pura tiene un pH de 7, lo que significa que es neutra, pues tiene igual número de iones de hidrógeno (H+) y de hidroxilo (OH—). Una solución con pH menor de 7 tiene mayor concentración de iones de hidrógeno y se vuelve ácida. Por el contrario, las soluciones con un pH mayor de 7 tienen mayor concentración de iones de hidroxilo y son básicas o alcalinas (cuadro 2.5). La mayoría de las soluciones celulares mantienen un pH cercano a la neutralidad, tal como puedes ver en la figura 2.9. Figura 2.9 ag a em a esi gn ria d vo ) pol ro) e n nos OH s e r ra Na ca a hor h o e ( o l (H u e g o C d o d n e t p e o a n c , o d a c a ic ar (us én uea o) da ato or mó de jab sti om gu str em caf áci áu co e li et aco Blanq caser piad ,a ón bon gá d i , i c s d d r a a n c e a i o a v a a o o o v u n fr li u o Lim Jug Bic Jug Re Jug Llu Ori Sa Ag Sol Am Sos (us 1 2 re ag n , vi Cl) 3 4 che ú p am 5 6 le ro, 7 8 9 10 Neutro Más ácida che o le sa, i sod 11 12 13 14 Más básica Escala de pH. El pH de algunas sustancias comunes. Tipo de solución Características iónicas Menor de 7 Ácida El número de iones H+ es mayor que el de iones OH—. I= =IM= 7 Neutra El número de iones H+ es igual al de iones OH—. Mayor de 7 Básica o alcalina El número de iones OH— es mayor que el de iones H+. Las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula requieren un pH entre 6 y 7, debido a que las enzimas que las catalizan presentan mayor actividad en este intervalo. Una excepción es la enzima pepsina, presente en el estómago, cuya función es digerir las proteínas. La pepsina necesita condiciones extremadamente ácidas (pH 1 a 2) para digerir las proteínas. 0 G IA? P pH 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Cuadro 2.5 Características de las soluciones según su pH El pH se define como el potencial de iones hidrógeno (H+) e indica la concentración de estos iones en una sustancia. Se expresa en una escala del 0 al 14; los valores de pH menores a 7 indican sustancias ácidas, los mayores se refieren a sustancias alcalinas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G52 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos ELEMENTOS BIOGENÉSICOS FLASH En secciones anteriores aprendiste que los elementos químicos son sustancias integradas por átomos del mismo tipo y que, además, forman la materia viva y la inerte. Los elementos químicos que constituyen la materia viva reciben el nombre de elementos biogenésicos (bios: vida; génesis: formación, origen) y, en orden de importancia, son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Estos seis elementos forman 99% del peso de los seres vivos, el 1% restante está representado por elementos como sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), zinc (Zn), cloro (Cl) y yodo (I). Los elementos biogenésicos cumplen funciones específicas en los organismos y sin ellos no se llevarían a cabo las actividades metabólicas que caracterizan a los seres vivos. En el cuadro 2.6 encontrarás las funciones de algunos elementos biogenésicos. El ácido clorhídrico es el principal componente del jugo gástrico, cuyo pH varía entre 1.5 y 2.5. Elemento Símbolo Funciones en el organismo Carbono C Constituyente principal de moléculas orgánicas. Hidrógeno H Forma parte del agua y de moléculas orgánicas. Oxígeno O Participa en la respiración y forma parte de las moléculas orgánicas. Nitrógeno N Constituyente de las proteínas, algunas vitaminas y ácidos nucleicos. Fósforo P Participa en la transferencia de energía; constituyente de los huesos, del ADN y de las membranas celulares. Azufre S Componente de muchas proteínas. Calcio Ca Componente de huesos; participa en la contracción muscular. Cloro Cl Interviene en la digestión (HCl). Potasio K Generador de impulsos nerviosos y participa en el equilibrio de iones. Hierro Fe Constituyente de la hemoglobina y los citocromos. Yodo I Componente de las hormonas tiroideas. Magnesio Mg Constituyente de la clorofila. Sodio Na Genera los impulsos nerviosos y participa en el equilibrio de iones. Cobre Cu Componente del pigmento hemocianina y coenzimas. Cobalto Co Componente de la vitamina B12; activador de enzimas. Flúor F Necesario para el desarrollo de huesos y dientes. Manganeso Mn Necesario en la acción enzimática. Selenio Se Indispensable en la acción enzimática. Zinc Zn Participa en el metabolismo de carbohidratos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.6 Funciones de algunos elementos biogenésicos 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 53 Biología general Los elementos biogenésicos son los que constituyen la materia viva. Los principales son CHONPS, pues integran 99% del peso seco de la materia viva. La combinación de estos elementos da origen a compuestos inorgánicos como el agua y las sales minerales, y a compuestos orgánicos que pueden contener o no nitrógeno. Los elementos biogenésicos se combinan y dan origen a compuestos inorgánicos y orgánicos esenciales para la vida. Los primeros están representados por el agua y las sales minerales, mientras que los segundos se clasifican en moléculas que carecen de nitrógeno (carbohidratos y lípidos), y en moléculas que contienen nitrógeno (proteínas, vitaminas, ATP y ácidos nucleicos). El cuadro 2.7 resume la clasificación de los compuestos químicos esenciales para la vida. Importante Cuadro 2.7 Compuestos esenciales para los seres vivos Compuestos inorgánicos Compuestos orgánicos Agua Sales minerales Sin nitrógeno Con nitrógeno Carbohidratos: Monosacáridos, disacáridos y polisacáridos Lípidos: Grasas, fosfolípidos y esteroides Proteínas Vitaminas ATP Ácidos nucleicos: ADN y ARN 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= COMPUESTOS INORGÁNICOS Y SALES MINERALES 3I9EACC El agua y las sales minerales son los compuestos inorgánicos esenciales para la vida. A continuación describiremos las características más importantes de cada uno de ellos. Agua Es difícil imaginar la vida en la Tierra sin el agua. Hay vida cuando el agua está presente. En el agua se formó la vida. El agua (H2O) es el compuesto inorgánico más abundante e importante y constituye las tres cuartas partes de la superficie de nuestro planeta. Una enorme cantidad de H2O se intercambia continuamente entre la Tierra y la atmósfera en el llamado ciclo hidrológico, el cual ayuda a regular la temperatura del planeta. También en los seres vivos el agua es el compuesto más abundante, alrededor de 75% del peso total de nuestro cuerpo es agua, aunque en algunos puede alcanzar hasta 95%. Las moléculas de agua se encuentran unidas entre sí por enlaces llamados puente de hidrógeno, que se establece cuando un átomo de hidrógeno (H+) de una molécula atrae a un átomo de oxígeno (O—) de otra molécula, tal como vemos en la figura 2.10. Estos enlaces se pueden romper con facilidad debido a cambios de temperatura o de pH. Los puentes de hidrógeno también se presentan en otros compuestos además del agua; este enlace es el responsable de mantener unida la doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G54 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Un puente de hidrógeno es un enlace formado por la atracción electrostática entre las cargas positivas y negativas de dos o más moléculas. Figura 2.10 H (–) O El agua tiene diferentes propiedades, entre las cuales se encuentran las siguientes: r Es el disolvente universal, pues la mayoría de las sustancias químicas se puede disolver en ella. r Tiene un elevado calor específico, lo que permite que la temperatura de los organismos permanezca constante aunque cambie la temperatura ambiental. r Su alto grado de vaporización facilita la pérdida del exceso de calor corporal por evaporación del sudor. r El alto grado de cohesión y tensión de sus moléculas permite a las plantas transportar los elementos nutritivos disueltos desde las raíces hasta las hojas durante el proceso de transpiración. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Las propiedades del agua permiten desempeñar las siguientes funciones vitales: H () (–) H O H H H Puentes de hidrógeno. Enlace entre tres moléculas de agua en el que los puentes de hidrógeno se representan como líneas punteadas. Los puentes se forman entre una carga positiva y otra negativa. r Interviene en el proceso de fotosíntesis como un factor esencial para que las plantas elaboren sus alimentos y produzcan oxígeno. r Sirve como lubricante, por ejemplo, en las articulaciones para facilitar el movimiento de los huesos. r Permite el transporte de sustancias, por ejemplo, las sales minerales del suelo al interior de las plantas. r Ayuda a regular la temperatura corporal, debido a que absorbe y elimina el calor del cuerpo. r Participa en los procesos metabólicos como nutrición, excreción y respiración. FLASH Las medusas y algunas frutas como la sandía contienen hasta 95% de agua. El hombre pierde alrededor de dos litros de agua diariamente y, aunque no es un nutrimento que provea energía, sus propiedades influyen en todas las actividades químicas de las células. Dada la función vital del agua se recomienda que los adultos tomen ocho vasos diarios de este líquido (aproximadamente dos litros). Para que el agua pueda ser utilizada, tanto por las plantas como por los animales, debe contener minerales disueltos; por eso, el agua destilada no satisface los requerimientos de los organismos. El agua es un compuesto inorgánico esencial para la vida, pues actúa como disolvente universal, ayuda a mantener constante la temperatura del cuerpo, permite el transporte de sustancias, sirve como lubricante y participa en la mayoría de los procesos metabólicos. Además del agua existen otras sustancias químicas inorgánicas que no son sintetizadas por las plantas ni los animales pero que son indispensables para el buen funcionamiento de los organismos. Estas sustancias son los minerales que se presentan en forma de elementos o compuestos llamados sales minerales. Cuando la sal está disuelta en agua se disocia en iones positivos (+), llamados cationes, y en iones negativos (—) llamados aniones. Así, el cloruro de sodio se disocia en su anión Na+ y en su catión Cl. Son ejemplo de aniones los cloruros (Cl—), los fosfatos (PO43—) y los carbonatos (CO32—). Los cationes son iones con carga positiva como 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 55 Biología general el sodio (Na+), el calcio (Ca2+), el magnesio (Mg2+) y el hierro (Fe2+, Fe3+). La unión de estos iones forma sales minerales como el cloruro de sodio (NaCl), el carbonato de calcio (CaCO3) y el fosfato de calcio (Ca3(PO4)2), tal como se muestra en el siguiente ejemplo. Ácido HCl Ácido clorhídrico + Base Sal NaOH Hidróxido de sodio NaCl Cloruro de sodio Conoce más El yodo durante el embarazo El yodo es imprescindible para la formación de las hormonas que se sintetizan en la glándula tiroides, la cual se encuentra en el cuello, a ambos lados de la tráquea. Las hormonas sintetizadas en esta glándula son necesarias desde el comienzo del desarrollo embrionario y durante toda la vida. En el embarazo el yodo interviene en la formación y maduración del cerebro y del corazón del bebé en desarrollo. En distintas etapas de la vida las necesidades del yodo varían; por ejemplo, para una mujer adulta son necesarios 150 microgramos al día, pero si está embarazada la dosis es de 200 a 300 microgramos, misma cantidad que necesita la mujer que amamanta. I= =IM= 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? P 0 G IA? La principal fuente de yodo son los productos marinos, como el pescado, los mariscos y las algas, entre otros. Estos alimentos deben consumirse 2 o 3 veces por semana; sin embargo, hay que tener en cuenta que al cocinarlos se pierde parte del yodo en el agua, por lo que ésta debe aprovecharse para preparar salsas y caldos. También se aconseja utilizar sal yodada, aunque se recomienda consumirla con moderación por los riesgos que conlleva el alto consumo de cloruro de sodio. La mujer embarazada debe seguir las indicaciones de su médico sobre el consumo de yodo para evitar cualquier malformación. Idealmente las mujeres en etapa fértil que desean ser madres deben acudir al médico desde antes del embarazo para saber qué cantidad de yodo se debe consumir con la finalidad de obtener los beneficios de sus efectos preventivos. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G56 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 H2O Agua Las sales en disolución desempeñan diversas funciones en la célula, entre las que destacan la homeostasis, la regulación del pH y la regulación de la presión osmótica. La homeostasis se define como el estado de equilibrio entre el medio interno y el externo. A nivel celular este equilibrio se alcanza cuando la concentración de sales, en especial de sodio, es igual dentro y fuera de la célula. El intercambio de sales entre la célula y su medio se realiza mediante la ósmosis. Las sales minerales se encuentran en todos los plasmas de los seres vivos, como el citoplasma celular, el plasma intercelular y la sangre, entre otros. Puesto que su función es de tipo regulador, sólo se requieren pequeñas cantidades de cada mineral. Sin el nivel adecuado de sales de sodio, las células experimentan cambios en su presión interna, lo que puede causar que se hinchen o que se colapsen. Las sales de fósforo, por otra parte, son compuestos esenciales del ATP, de los fosfolípidos, del ADN y del ARN. El yodo es tan importante que tener deficiencias de él durante el embarazo puede suponer el riesgo de que el bebé nazca con hipotiroidismo, es decir, carencia de la hormona tiroidea. Esto puede tener consecuencias muy graves, tales como cretinismo y retraso mental. Nuestro organismo obtiene el yodo de los alimentos y del agua, pero la cantidad varía mucho según la dieta, pues ésta puede proporcionar entre 50 a 1,000 microgramos al día. Si no consumimos el yodo suficiente se puede producir una alteración de la glándula tiroides y provocar bocio o aumento exagerado del tamaño de dicha glándula. + Las sales minerales son reguladores indispensables para mantener el equilibrio osmótico y la difusión entre la célula y el medio que la rodea. Otras moléculas inorgánicas indispensables para la vida son el oxígeno (O2) y el bióxido de carbono (CO2) pues intervienen en los procesos de respiración celular y fotosíntesis, que revisaremos más adelante. Una alimentación balanceada proporciona minerales en cantidades suficientes para cubrir las necesidades del organismo. El cambio en la concentración de sales debido a la pérdida por sudor, orina y materias fecales o la falta de algún mineral en nuestra dieta, provoca alteraciones en el funcionamiento del organismo. En la sección Conoce más encontrarás datos relacionados con las funciones del yodo en nuestro cuerpo. I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Niveles de organización de la materia 1. Se le llama materia a todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Todos los constituyentes de la materia, desde los elementos hasta los ecosistemas, están formados por átomos. Los niveles de organización de la materia son: átomos, moléculas, células, tejidos, órganos, sistemas, individuo, población, comunidad y ecosistema. Cada nivel se conforma por la organización de los anteriores. 2. La unidad básica de la materia es el átomo. La unión de átomos diferentes o iguales da lugar a moléculas. Si los átomos son iguales, la molécula recibe el nombre de elemento, si son diferentes, se trata de un compuesto. 3. El átomo se define como la partícula más pequeña que conserva las propiedades de la materia y representa las características de un elemento. Las partículas subatómicas son los protones, neutrones y electrones. Las primeras dos subpartículas se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones forman la nube o envoltura electrónica del átomo. 4. Los protones (p+) están cargados positivamente, los neutrones (nº o n±) care_ cen de carga eléctrica y los electrones (e ) están cargados negativamente. La diferencia en el número de protones, neutrones y electrones en los átomos es lo que les confiere características propias. 5. El número atómico de un elemento es igual al número de protones o electrones presentes en el átomo. Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número atómico, pero presentan diferencias en su cantidad de neutrones. Algunos isótopos, llamados radiactivos o radioisótopos, son capaces de liberar partículas de energía con relativa facilidad. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 6. Los compuestos están formados por la unión química de dos o más elementos. Los compuestos orgánicos forman largas cadenas de carbono como elemento base. Los compuestos inorgánicos no forman cadenas. 7. Una mezcla es la unión de dos o más sustancias diferentes que no se combinan químicamente. Los tipos de mezcla son: solución (homogénea), suspensión (heterogénea) y coloide. Un coloide es un estado intermedio entre la solución y la suspensión, se presenta en dos estados: sol (casi líquida) y gel (casi sólida). Está formado por medio de una suspensión llamada fase dispersora y el soluto llamado fase dispersa. 8. El pH indica la concentración de iones hidrógeno y mide el grado de acidez o alcalinidad de una sustancia en una escala de 0 a 14, siendo 7 un pH neutro. 9. Los principales elementos biogenésicos son carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre (CHONPS); constituyen 99% de la materia viva. El 1% restante está formado por otros elementos como sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), hierro (Fe), cloro (Cl), etc. Las sales minerales como el cloruro de sodio, el carbonato de calcio y el sulfato de magnesio, intervienen en la regulación de la presión osmótica y difusión dentro de la célula. El oxígeno y el bióxido de carbono son moléculas inorgánicas indispensables porque participan en la respiración celular y la fotosíntesis. 10. Los compuestos orgánicos o biomoléculas esenciales para la vida son de dos tipos: no nitrogenados, como los carbohidratos y los lípidos; y nitrogenados, como las proteínas y los ácidos nucleicos. 11. Los compuestos inorgánicos más importantes para los seres vivos son el agua y las sales minerales. Algunas de las propiedades del agua son: a) actúa como disolvente universal, b) tiene un alto calor específico (permite que la tempera3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 57 Biología general tura permanezca constante), c) presenta un alto grado de vaporización y d) posee un alto grado de cohesión y tensión (permite el transporte de sustancias). 12. Las sales minerales se disuelven en el agua y sirven para regular el pH y la presión osmótica de la célula. 2.2 COMPUESTOS ORGÁNICOS Y BIOMOLÉCULAS NO NITROGENADAS Los compuestos orgánicos son las moléculas básicas de los organismos constituidos por cadenas de carbono a las que se enlazan átomos de oxígeno e hidrógeno principalmente, aunque también se encuentran nitrógeno y azufre, entre otros. Por lo general son sintetizados por los seres vivos, aunque en la actualidad también se puede obtener gran cantidad de compuestos orgánicos mediante la síntesis en el laboratorio a partir de compuestos inorgánicos. No nitrogenadas Biomoléculas Carbohidratos Lípidos Proteínas Nitrogenadas 7JUBNJOBT ATP Ácidos nucleicos Los compuestos orgánicos son largas cadenas de átomos de carbono unidos entre sí y, a su vez, con otros elementos como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, principalmente. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Figura 2.11 La mayoría de los compuestos orgánicos que constituyen a los organismos reciben el nombre de macromoléculas, porque son estructuras grandes y complejas, o de biomoléculas. Como ya aprendiste, las biomoléculas se clasifican en compuestos no nitrogenados, como los carbohidratos y los lípidos, y en compuestos nitrogenados, como las proteínas, las vitaminas, el ATP y los ácidos nucleicos. P Polímero Algunas de las biomoléculas se encuentran en forma de polímeros, que son compuestos de gran masa molecular formados por cadenas de unidades que se repiten; cada unidad es un monómero de bajo peso molecular (fig. 2.11). Son ejemplo de polímeros no nitrogenados algunos carbohidratos, como la celulosa, el almidón y el glucógeno. Las proteínas y los ácidos nucleicos son polímeros que contienen nitrógeno. 0 G IA? Monómero Formación de las moléculas biológicas. Los polímeros se forman por unión de varios monómeros. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G58 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Un polímero es un compuesto orgánico de cadena larga, que se forma por la unión de pequeñas unidades llamadas monómeros. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos CARBOHIDRATOS Figura 2.12 Glucosa El azúcar y el almidón son los carbohidratos con los que estamos más familiarizados. La mayoría de los carbohidratos son sintetizados por los vegetales durante el proceso de fotosíntesis. Estas macromoléculas, también llamadas glúcidos, azúcares o hidratos de carbono, son la principal fuente de energía para las funciones celulares. Están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, y son solubles en agua. HO C Los carbohidratos se clasifican en tres tipos principales, los cuales se describirán a continuación: H C H C O H C H C CH2OH O OH H c) Polisacáridos OH H OH OH H H OH OH CH2OH a Los carbohidratos son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, son solubles en agua y constituyen la fuente principal de energía de las células. Se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. H H a) Monosacáridos b) Disacáridos H b Monosacáridos. Representación de la glucosa. a) Cadena abierta; b) cadena cerrada. a) Monosacáridos Figura 2.13 Grupo aldehído H 3 triosa 4 tetrosa 5 pentosa 6 hexosa 7 heptosa 0 G IA? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E C O HO C H OH H C OH C OH H C OH C OH C OH C H H C H H HO A su vez, los monosacáridos se clasifican de acuerdo con el número de átomos de carbono que contienen, como se observa a continuación. Tipo de monosacárido CH2OH C Uno de los carbonos de la cadena tiene un doble enlace o ligadura que se une al oxígeno. Si el doble enlace se encuentra al final de la cadena se forma un grupo aldehído y a este monosacárido se le llama aldosa. Si el doble enlace se encuentra en otra parte de la cadena se forma un grupo cetónico y el monosacárido se llama cetosa (fig. 2.13). Número de átomos de carbono Grupo cetona O H P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Los monosacáridos (mono: uno, sacarum: azúcar) están formados de una sola cadena de carbonos, por lo que se les llama azúcares simples y son representados en forma de cadena abierta o formando anillos (fig. 2.12). CH2OH H a b Aldosas y cetosas. Representación de a) grupo aldehído y b) grupo cetona. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 59 Biología general Figura 2.14 H O H C O C H C OH HO C H H C H H H C OH HO C H OH H C H C OH H C OH C OH H C OH H H Glucosa Galactosa Entre las pentosas se encuentran la ribosa y la desoxirribosa, la primera forma parte del ácido ribonucleico (ARN), y la segunda del ácido desoxirribonucleico (ADN). Entre las hexosas se hallan la fructosa, la galactosa y la glucosa, que son isómeros uno de otro, pues difieren en cuanto a la disposición de sus átomos y, por tanto, sus propiedades químicas son diferentes (fig. 2.14). Estas hexosas tienen la fórmula química general C6H12O6, y la proporción de átomos CHO es 1: 2:1, característica de los carbohidratos. Fructosa La fructosa y la galactosa son monosacáridos que se encuentran en frutas, miel y verduras. La glucosa es el azúcar producida por las plantas durante la fotosíntesis, es la única hexosa que se encuentra en cantidades apreciables en los seres vivos y es la que proporciona la mayor parte de la energía necesaria para las actividades metabólicas de las células. A la glucosa también se le conoce como azúcar de la sangre y lo normal es que alcance una concentración entre 0. 6 y 1.1 mg/ml en el cuerpo humano. Esta concentración se regula por diversos mecanismos hormonales. H H C OH C O HO C H H C OH H C OH H C OH H Fructosa b) Disacáridos Los disacáridos o azúcares dobles (di: dos; sacarum: azúcar), son carbohidratos que se forman cuando se combinan químicamente dos monosacáridos por medio de un enlace glucosídico. En esta reacción se elimina una molécula de agua, como puedes observar en la figura 2.15. Los disacáridos tienen la fórmula molecular C12H22O11, y entre los más importantes se encuentran la sacarosa, la maltosa y la lactosa. En el cuadro 2.8 se muestran las características de estos tres disacáridos. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Estructura lineal de las principales hexosas. Observa en dónde se encuentra el grupo aldehído de la glucosa y de la galactosa, así como el grupo cetónico de la fructosa. Los monosacáridos son azúcares simples formados por cadenas de carbonos. Según la posición del doble enlace pueden ser aldosas o cetosas. Entre los monosacáridos más importantes se encuentran las pentosas, como la ribosa y la desoxirribosa, y las hexosas, como la fructosa, la galactosa y la glucosa. Figura 2.15 Glucosa 0 G IA? P H 3I9EACC + Fructosa Agua + Sacarosa CH2OH FLASH Un aumento prolongado de la concentración de azúcar en la sangre provoca alteraciones metabólicas (diabetes) y graves daños a ciertos tejidos. HO CH2OH O H OH H H OH H + O HOCH2 OH HO H H H OH OH H H2O + CH2OH HO O H OH H H OH H O HOCH2 O H H OH OH H CH2OH Enlace glucosídico Síntesis de la sacarosa. Este disacárido se forma por la unión de glucosa y fructosa a través de un enlace glucosídico con eliminación de una molécula de agua. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G60 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 Cuadro 2.8 Características de algunos disacáridos Disacárido Composición Nombre común Fuente Usos Sacarosa glucosa + fructosa Azúcar de mesa. Caña de remolacha. Elaboración de dulces, mermeladas y jarabes. Maltosa glucosa + glucosa Azúcar de malta. Germen de cebada. Producción de cerveza. Lactosa glucosa + galactosa Azúcar de leche. Leche de mamífero. Elaboración de quesos y yogur. Un disacárido es un carbohidrato que se forma por la unión de dos monosacáridos. Los más importantes son la sacarosa, la maltosa y la lactosa. c) Polisacáridos La mayor parte de los carbohidratos que se encuentran en la naturaleza se presentan como polisacáridos (poli: muchos; sacarum: azúcar), que se forman cuando se unen varias unidades de monosacáridos. Por lo general, el monómero que forma estas cadenas es la glucosa. FLASH La sacarina no es un carbohidrato pero, por su sabor, se emplea para endulzar los alimentos. Este compuesto es preparado en el laboratorio. Como es difícil contar las moléculas de glucosa que forman a los polisacáridos, su fórmula general se expresa como (C6H10O5)n, donde n indica el número de veces que se repite el monómero. Los polisacáridos se encuentran formando cadenas lineales, como en la celulosa, helicoidales, como el almidón, o ramificados, como el glucógeno (fig. 2.16). Figura 2.16 HOCH2 HOCH2 O O HOCH2 O O O O O O O a) Cadena lineal: celulosa O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= O HOCH2 O O O O O O O O O O O O O b) Cadena helicoidal: almidón O O O c) Cadena ramificada: glucógeno Tipos de polisacáridos: a) cadena lineal de celulosa; b) cadena helicoidal del almidón; c) cadena ramificada del glucógeno. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 61 Biología general Algunos polisacáridos desempeñan el papel de reserva alimenticia, mientras que otros son elementos estructurales de las paredes celulares vegetales. Con base en las propiedades nutritivas que aportan a los animales, los polisacáridos se dividen en: r Polisacáridos digeribles: almidón y glucógeno r Polisacáridos no digeribles: celulosa, hemicelulosa y quitina En el cuadro 2.9 puedes revisar algunas de las características de los polisacáridos más importantes. Los carbohidratos son la base de la alimentación humana, se encuentran en frutas, semillas, cereales, arroz, pastas y pan. Debido a su compleja estructura química es necesario que estos polisacáridos se degraden en azúcares más simples para poder ser absorbidos por la célula. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.9 Descripción y localización de algunos polisacáridos 3I9EACC Nombre Descripción Localización Almidón Formado por muchas moléculas de glucosa, es producido por las plantas y es la forma de almacenamiento de azúcares más importante en las células vegetales. Es fuente de energía para el crecimiento vegetal. Se almacena en tallos como la papa, en semillas como el chícharo, frijol y trigo y en raíces como el camote. Glucógeno También llamado almidón animal; es la forma de almacenamiento de carbohidratos en las células animales. Se encuentra constituido por moléculas de glucosa y es fuente de energía. Se almacena en músculos, donde proporciona energía para la contracción y en el hígado en forma de glucógeno hepático. Celulosa Formada por moléculas de glucosa. Es el principal polisacárido estructural que sirve de sostén a las células vegetales por su rigidez. Pocos organismos son capaces de digerir la celulosa. Se presenta como componente de la pared celular de los vegetales. Es uno de los compuestos principales del papel, la madera y el algodón. Hemicelulosa Polímero semejante a la celulosa; está formada por la unión de azúcares de cinco carbonos. Su función también es estructural. Se encuentra en las paredes de las células vegetales jóvenes. Quitina Polisacárido estructural compuesto por unidades de glucosamina (azúcar con nitrógeno). Forma la cubierta dura o exoesqueleto de los insectos y de algunos crustáceos como cangrejos y camarones; también se encuentra en la pared celular de algunos hongos. FLASH Algunos herbívoros (ovejas, cabras, vacas) pueden utilizar la celulosa que ingieren gracias a los microorganismos que viven en su aparato digestivo que la pueden degradar. Un polisacárido es una larga cadena de monosacáridos. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos importantes de polisacáridos. LÍPIDOS Los lípidos son compuestos orgánicos de consistencia oleosa o aceitosa que almacenan gran cantidad de energía. Se forman a partir de carbohidratos dentro de las células y están constituidos por cadenas cortas o largas de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. En contraste con los carbohidratos, los lípidos son insolubles en agua pero solubles en compuestos orgánicos como cloroformo, éter y alcohol. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G62 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Figura 2.17 H O H O H C OH + H O C O (CH2)14 CH3 H C O H C OH + H O C O (CH2)14 CH3 H C O C (CH2)14 H C OH + H O C O (CH2)14 CH3 C (CH2)14 CH3 (CH2)14 CH3 + 3H2O O H CH3 H C O C H Glicerol + 3 moléculas de ácidos grasos Triacilglicérido (triglicérido) o grasa neutra + agua Formación de un triglicérido. Unión de una molécula de glicerol con tres moléculas de ácidos grasos con eliminación de tres moléculas de agua. Tomando como base sus propiedades físicas y químicas, los lípidos se clasifican en: a) Grasas neutras o lípidos simples (grasas y aceites) b) Fosfolípidos o lípidos compuestos Figura 2.18 c) Esteroides o lípidos derivados HO C O H C H H C H H C H H C H a) Grasas neutras o lípidos simples H C H Las grasas neutras son moléculas grandes o polímeros que reciben el nombre de triglicéridos, constituyen el grupo de lípidos más abundante en los seres vivos. Los triglicéridos cumplen dos funciones principales: actúan como almacén de energía y son la base para la síntesis de fosfolípidos y esteroides. H C H H C H H C H H C H H C H 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Los lípidos son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; son insolubles en agua, pero solubles en compuestos orgánicos como el cloroformo, el éter y el alcohol. 3I9EACC HO H Un triglicérido es el resultado de la combinación de una molécula de glicerol o glicerina y tres moléculas de ácidos grasos, como puedes observar en la figura 2.17. El glicerol es un alcohol formado por tres átomos de carbono, cada uno unido a un grupo hidroxilo (OH). Los ácidos grasos son moléculas integradas por largas cadenas de carbono (generalmente entre 14 y 24), cada una enlazada a un grupo carboxilo (COOH). Cuando se combinan el glicerol y tres moléculas de ácido graso ocurre una reacción de deshidratación, pues se forman tres moléculas de agua (fig. 2.17). H O C H C H C H C H C H H C H H C H H C H H C H H H a C b Grasas y aceites: a) Lípido saturado y b) lípido no saturado o insaturado. Los triglicéridos se dividen en dos grupos: grasas y aceites (fig. 2.18). Las grasas, también llamadas lípidos saturados, por lo general son de origen animal, tienen enlaces sencillos entre los átomos de carbono y son sólidas a temperatura ambiente. Son ejemplos de estas grasas el sebo, el tocino, la mantequilla y la manteca. Los animales almacenan grasas en células redondeadas que forman el tejido adiposo, localizado debajo de la piel y cuya función es servir de aislante contra la pérdida de calor del cuerpo. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 63 Biología general FLASH Cuando una persona se pone a dieta (baja en calorías) se “alimenta” de sus propias grasas que constituyen una reserva de energía. Los aceites o lípidos no saturados o insaturados se producen en las plantas, tienen enlaces dobles o triples entre algunos de sus átomos de carbono y se encuentran en estado líquido a temperatura ambiente. Entre ellos se encuentran los aceites de oliva, de cacahuate, de algodón y de linaza. En la sección Conoce más podrás revisar algunos aspectos interesantes de las grasas denominadas trans. Aspectos interesantes de las grasas neutras Las grasas neutras son constituyentes necesarios de los seres vivos porque desempeñan importantes funciones como: Figura 2.19 CH2 N(CH3)3 r Se almacenan y sirven como reserva energética. r Son aislantes térmicos, debido a que protegen al cuerpo del frío y colaboran para disminuir la pérdida de calor. r 1SPUFHFO ciertas estructuras del organismo, como el corazón, y las articulaciones. r Son abundantes en la vaina de mielina, donde desempeñan funciones de protección de las fibras nerviosas. r Cada gramo de grasa suministra el doble de energía que una cantidad equivalente de carbohidratos, por lo que resulta ideal para el almacenamiento de reservas. CH2 O O P O O H 2 H2 C O O C C H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C CH2 H 2C H 2C H 2C I= =IM= H 2C H 2C H 2C H 3C CH2 Las grasas neutras, también llamadas triglicéridos, cumplen diversas funciones: reserva de energía, aislante térmico, protección y almacén de energía. Se clasifican en grasas y aceites. Las grasas o lípidos saturados, tienen enlaces simples, generalmente son de origen animal y son sólidos a temperatura ambiente. Los aceites o lípidos insaturados, poseen enlaces dobles o triples, se producen principalmente en las plantas y son líquidos a temperatura ambiente. b) Fosfolípidos o lípidos compuestos Los lípidos que además de carbono, hidrógeno y oxígeno contienen fósforo, y en algunas ocasiones nitrógeno, se llaman fosfolípidos. Una molécula de fosfolípido está compuesta de dos moléculas de ácidos grasos y un grupo fosfato unidos a una molécula de glicerina (fig. 2.19). CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 Estructura de un fosfolípido: lecitina. Los fosfolípidos están constituidos por una cabeza fosfatada soluble en agua que se llama grupo hidrofílico, y un par de colas hidrocarbonadas insolubles en agua o grupo hidrofóbico. Debido a la presencia de estos dos grupos, los fosfolípidos forman membranas cuando se colocan en un medio acuoso, quedando el grupo hidrofílico orientado hacia su exterior y el grupo hidrofóbico hacia su interior. Lo anterior se muestra en la figura 2.20. Figura 2.20 0 G IA? Parte insoluble interna Colas hidrocarbonadas grupo hidrofóbico Fosfolípidos: a) Cabeza hidrofílica y colas hidrofóbicas, b) membrana formada por fosfolípidos. 3I9EACC Parte soluble externa Cabeza fosfatada grupo hidrofílico P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? CH a 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G64 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Parte soluble externa b 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Conoce más 10 Preguntas sobre las grasas trans Seguramente has escuchado hablar de las grasas trans, pero, ¿qué son las grasas trans? ¿Cómo llegan a los alimentos y qué efecto tienen sobre nuestra salud? 1. ¿Qué son las grasas dietéticas? Son las grasas que normalmente encontramos en los alimentos, son parte esencial de cualquier dieta saludable. Las grasas dietéticas están integradas por una mezcla de ácidos grasos saturados (de origen animal) e insaturados (de origen vegetal). 2. ¿Qué son las grasas trans? Son ácidos grasos insaturados que han sido tratados para cambiar su consistencia líquida a una más sólida mediante un proceso llamado hidrogenación. 3. ¿Qué alimentos contienen grasas trans? Se les encuentra, en diferentes cantidades, en una gran variedad de alimentos, como productos horneados o fritos, así como en la margarina. 4. ¿Por qué hay grasas trans en los alimentos? Porque al ser aceites parcialmente hidrogenados mantienen frescos durante más tiempo los alimentos, garantizando así la calidad de los alimentos envasados. 5. ¿Existe algún otro motivo por el cual se utilicen las grasas trans? Se emplean como sustitutos de las grasas usadas para hornear o freír que contienen altos niveles de grasas saturadas. 6. ¿Qué efecto tienen las grasas trans en el colesterol? Aumentan el nivel del colesterol malo (lipoproteínas de baja densidad —LDL—) y bajan los niveles de colesterol bueno (lipoproteínas de alta densidad —HDL—). 7. ¿Cuál es la relación entre el colesterol de la sangre y las enfermedades cardiacas? Los niveles altos de colesterol en sangre constituyen un factor de riesgo para las enfermedades cardiovasculares. 8. ¿Debemos reducir el consumo de grasas trans? Se recomienda reducir al mínimo el consumo de este tipo de grasas así como de las grasas saturadas y de colesterol. Sin embargo, no se deben eliminar completamente las grasas de nuestra dieta debido a que constituyen una de las principales fuentes de energía, además aportan sabor, consistencia y facilitan la absorción de vitaminas y carotenos. 9. ¿Cómo podemos reducir la cantidad de grasas trans en nuestra dieta? Revisa las siguientes reglas para disminuir el consumo de grasas trans: t 3FEVDFFMDPOTVNPEFHSBTBTUPUBMFTQBSBBTFHVSBSUFRVFEJTNJOVZFFMDPOTVNPEFHSBTBTTBUVradas, grasas trans y colesterol. t &WJUBSFVUJMJ[BSFMBDFJUFRVFTFIBVTBEPQBSBGSFÓSBMJNFOUPT 10. ¿Qué alimentos debemos evitar para ayudar a disminuir el consumo de grasas trans y de grasas saturadas? t .BSHBSJOBT QVFTBMHVOBTDPOUJFOFOHSBTBTUSBOT t 1BQBTGSJUBT IBNCVSHVFTBTZQBTUFMJMMPTJOEVTUSJBMJ[BEPT t $PNJEBTSÈQJEBTZDPOHFMBEBT HBMMFUBTEVMDFTTBMBEBTZHPMPTJOBTFOHFOFSBM 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Éstas son algunas de las preguntas que debemos considerar cuando deseamos reducir el riesgo de padecer enfermedades cardiacas o, simplemente, queremos mantenernos en buen estado de salud. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 65 Biología general Los fosfolípidos más abundantes son las lecitinas y las cefalinas, formadas por ácidos grasos, glicerol, ácido fosfórico y una base nitrogenada. En el caso de las lecitinas, la base es la colina, mientras que en las cefalinas la base es la etanolamina. Las lecitinas se encuentran, principalmente, en la yema de huevo, el tejido nervioso y el hígado. Las cefalinas se localizan en los músculos y en el cerebro. Los fosfolípidos son muy importantes desde el punto de vista biológico, debido a que forman parte de las membranas de células animales y vegetales, donde regulan la entrada y salida de materiales. c) Esteroides o lípidos derivados Los esteroides difieren en su estructura de los otros lípidos porque están compuestos por cuatro anillos, tres de ellos de seis átomos de carbono y uno de cinco (fig. 2.21). Figura 2.21 CH3 HC CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH CH3 CH3 HO FLASH La cortisona se emplea para el tratamiento de enfermedades como la artritis, aunque su uso puede causar graves efectos secundarios. Entre los esteroides de mayor importancia se encuentran el colesterol, la testosterona, la progesterona, el estradiol y la cortisona, cuyas características se muestran en el cuadro 2.10. Cuadro 2.10 Características de los principales esteroides Nombre Características Colesterol Es el esteroide más abundante en animales superiores y algunas plantas. Un alto nivel de colesterol en la sangre produce endurecimiento en las arterias. Testosterona Hormona sexual masculina que regula el desarrollo y función de los órganos sexuales. Progesterona y estradiol Hormonas sexuales femeninas que regulan el desarrollo y funciones de los órganos sexuales. Cortisona Hormona que interviene en el metabolismo de azúcares y sales minerales de animales superiores. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Fórmula del colesterol. Observa el número de carbonos de cada uno de los cuatro anillos del colesterol. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G66 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Los esteroides son lípidos integrados por tres anillos de seis átomos de carbono y uno de cinco. Los más importantes son el colesterol, la testosterona, la progesterona, el estradiol y la cortisona. Como ya hemos visto, cada una de las moléculas de la vida, tanto inorgánicas como orgánicas no nitrogenadas, desempeñan un papel específico en el metabolismo celular. El conocimiento de su estructura y función nos permite comprender los procesos que realizan los seres vivos y nos orienta sobre el tipo de alimentos que proporcionan los diferentes tipos de macromoléculas. El cuadro 2.11 muestra el contenido de carbohidratos, lípidos, proteínas y vitaminas de algunos alimentos comunes en la dieta de la población mexicana. Cuadro 2.11. Contenido nutrimental de algunos alimentos comunes en la dieta de los mexicanos. Los valores están calculados por cada 100 gramos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Verduras y frutas Cal Sodio (mg) Calcio (mg) Hierro (mg) Fósforo (mg) Potasio (mg) Vit. A U.I. Vit. B1 (mg) Vit. B2 (mg) Vit. C (mg) Maíz 95 4 6 0.8 105 280 400 0.12 0.09 9 Tomate 21 3 12 0.5 26 240 900 0.06 0.04 23 Papa 76 3 7 0.8 50 410 - 0.1 0.05 17 Calabaza 28 2 20 0.7 40 250 1600 0.04 0.04 12 Cebolla 37 10 30 0.6 36 150 30 0.04 0.04 10 Lechuga 13 9 20 0.5 23 175 330 0.05 0.06 7 Zanahoria 40 45 40 0.9 35 400 3500 0.06 0.05 8 Plátano 90 1 9 0.6 28 400 80 0.05 0.07 10 Manzana 59 1 7 0.3 12 110 50 0.03 0.03 6 Melón 30 12 14 0.4 16 250 1000 0.03 0.02 30 Papaya 35 3 20 0.3 15 230 1500 0.03 0.04 60 Toronja 40 1 15 0.4 20 180 50 0.04 0.03 45 Continúa... 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 67 Biología general Continuación Cuadro 2.11. Contenido nutrimental de algunos alimentos comunes en la dieta de los mexicanos. Los valores están calculados por cada 100 gramos. Verduras y frutas Sodio (mg) Cal Calcio (mg) Hierro (mg) Fósforo (mg) Potasio (mg) Vit. A U.I. Vit. B2 (mg) Vit. C (mg) Sandia 30 1 10 0.4 9 120 350 0.03 0.03 6 Plátano 90 1 9 0.6 28 400 80 0.05 0.07 10 Alimentos origen animal KCal Prot. (g) Grasa (g) Sodio (mg) Calcio (mg) Hierro (mg) Fósforo (mg) Potasio (mg) Vit. A U.I. Vit. B1 (mg) Vit. B2 (mg) Carne de res 255 18 20 - 9 1.8 - - 30 0.05 0.13 Carne de cerdo 350 15 31 - 8 2.2 160 - - 0.70 0.17 Pollo 170 28 10 80 11 2 200 350 65 0.08 0.15 Mojarra 95 16 3 - 40 1.9 165 - - 0.04 0.05 Salmón 180 22 10 - 60 0.8 200 - - 0.08 - Huevo 160 12 11 125 55 2.3 210 130 1,200 0.12 0.32 Leche 60 3.0 3.0 30 110 0.2 80 140 200 0.1 0.2 Yogur 110 3.0 6.0 - 130 - 90 - - - - 2VFTPCMBODP 150 11 10 70 150 - - - - - - Cereales y harinas KCal Carbohid. (g) Prot. (g) Grasa (g) Sodio (mg) Calcio (mg) Hierro (mg) Fósforo (mg) Potasio (mg) 360 80 6.5 0.6 05 25 0.7 95 95 Harina de trigo 340 71 9 1 2 15 2 75 100 Pan (bolillo) 250 50 8 2 250 - - - - Pan (dulce) 390 65 9 10 - - - - - I= =IM= Arroz P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Fuente: www.alimentacion-sana.com.ar 0 G IA? 3I9EACC Vit. B1 (mg) 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G68 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Compuestos orgánicos 1. El principal elemento químico de los compuestos orgánicos es el carbono. Los compuestos orgánicos están formados por largas cadenas de átomos de carbono que se unen entre sí y, a la vez, con H, O, N, S y P. 2. Los carbohidratos o glúcidos constituyen la principal fuente de energía de las células. Según el número de azúcares presentes en las moléculas, los carbohidratos pueden ser monosacáridos, disacáridos o polisacáridos. 3. Los monosacáridos son los azúcares más simples formados por una cadena de átomos de carbono unidos con grupos OH— y H+. Los monosacáridos pueden ser aldosas (doble enlace al final de la cadena) o cetosas (doble enlace en medio de la cadena). 4. Las pentosas (C5H10O5) y las hexosas (C6H12O6) son los monosacáridos más importantes. Las pentosas ribosa y desoxirribosa forman parte del ARN y del ADN, respectivamente. Las hexosas glucosa y fructosa se encuentran en frutas, miel y verduras. La glucosa es la principal fuente de energía utilizada por las células. 5. Los disacáridos se forman cuando se unen dos monosacáridos por medio de un enlace glucosídico. Su fórmula general es C12H22O11, y los más importantes son sacarosa, maltosa y lactosa. 6. Los polisacáridos son carbohidratos constituidos por la unión de muchos monosacáridos. Por lo general, es la glucosa la que forma largas cadenas de polímeros, las cuales pueden ser lineales, helicoidales y ramificadas. Su fórmula general es (C6H10O5)n. Algunos polisacáridos como el almidón y el glucógeno son digeribles; y otros como la celulosa, la hemicelulosa y la quitina no lo son. Los carbohidratos son la base de nuestra alimentación, pero para ser absorbidos por la célula requieren ser convertidos en azúcares simples. 8. Los lípidos son compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno (CHO), son insolubles en agua pero solubles en compuestos orgánicos como cloroformo, éter y alcohol. Los lípidos se clasifican en: grasas neutras o lípidos simples (grasas o aceites), fosfolípidos o lípidos compuestos y esteroides o lípidos derivados. 9. Las grasas neutras reciben el nombre de triglicéridos, los cuales resultan de la combinación de una molécula de glicerol o glicerina y tres moléculas de ácidos grasos. Los triglicéridos constituyen grasas o lípidos saturados en los animales y aceites o lípidos insaturados en los vegetales. Algunas de las funciones de las grasas neutras son: de reserva energética, como aislante térmico y de protección. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 7. Los polisacáridos más importantes son: a) almidón: se almacena en diferentes partes de las plantas como sustancia de reserva; b) glucógeno: se almacena en los músculos y el hígado; y sirve como reserva de energía; c) celulosa: su función es estructural, pues forma la pared celular de plantas; d) quitina: es estructural, forma parte del exoesqueleto de insectos y de las paredes celulares de algunos hongos. 3I9EACC 10. Los fosfolípidos están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, además, contienen fósforo y, en ocasiones, nitrógeno. Están integrados por dos moléculas de ácidos grasos y un grupo de fosfato unidos con una molécula de glicerina. Los fosfolípidos tienen una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica. Esta característica los hace formar membranas de manera natural. Son constituyentes básicos de las membranas celulares donde regulan la entrada y salida de sustancias. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 69 Biología general 11. Los esteroides son lípidos formados por cuatro anillos: tres de seis átomos de carbono y uno de cinco. Algunos esteroides importantes son: la testosterona, la progesterona, el estradiol y la cortisona. 2.3 BIOMOLÉCULAS NITROGENADAS Entre las biomoléculas que contienen nitrógeno, se encuentran las proteínas, las vitaminas, el ATP y los ácidos nucleicos. Las proteínas, término que etimológicamente significa de primera importancia, son macromoléculas que intervienen en diversas funciones vitales del organismo, como coagulación de la sangre, defensa contra enfermedades, transporte de oxígeno, contracción muscular y procesos enzimáticos. Las vitaminas son moléculas que afectan la velocidad de los procesos metabólicos. El ATP es la llamada “moneda” de energía, ya que debe “gastarse” para que se realice algún trabajo. Los ácidos nucleicos, sin duda, tienen una gran importancia como almacén de la información genética y control de las actividades celulares. PROTEÍNAS Las proteínas son polímeros constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque algunas contienen azufre, fósforo o hierro. Son los compuestos orgánicos más abundantes, pues representan entre 50 y 70% del peso seco de la célula. Las unidades básicas de las proteínas son los aminoácidos (fig. 2.22). Figura 2.22 Proteína Representación esquemática de una proteína. Las proteínas son polímeros de los aminoácidos. En la naturaleza existen 20 aminoácidos básicos. Todos tienen la misma estructura general: un átomo de carbono central unido a un grupo amino (NH2), a un grupo carboxilo (COOH), a un átomo de hidrógeno (H) y a un grupo de átomos llamado radical o grupo R. El grupo R es diferente en cada uno de los aminoácidos y define sus características específicas. En la figura 2.23 puedes observar la estructura de algunos aminoácidos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Aminoácido Las proteínas son polímeros cuyas unidades básicas son los aminoácidos, constituidos principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. En cada aminoácido se encuentra un grupo amino (NH2), un grupo carboxilo (COOH) y un grupo R. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G70 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 Figura 2.23 a H R Radical Grupo carboxilo C COOH Carbono central NH2 Grupo amino H R CH3 R C C CH3 NH2 NH2 CH3 b H C COOH R H O COOH CH CH2 NH2 NH2 CH3 Alanina Aspargina COOH C Leucina Estructura de los aminoácidos. a) Estructura general, b) fórmulas químicas. Observa cómo varía el grupo R en cada aminoácido. Las plantas son capaces de elaborar todos los aminoácidos que necesitan a partir de sustancias simples. En cambio, el hombre sólo puede elaborar algunos de ellos, los demás, llamados aminoácidos esenciales, los obtiene en forma de alimento. De los 20 aminoácidos básicos, 10 son los esenciales: fenilalanina, leucina, valina, arginina, isoleucina, lisina, metionina, triptófano, treonina e histidina. Si dos aminoácidos se enlazan entre sí forman un dipéptido, lo cual ocurre cuando el grupo amino de un aminoácido se une al grupo carboxilo de otro y se elimina una molécula de agua. El enlace que se forma es de tipo covalente y se llama enlace peptídico (fig. 2.24). Figura 2.24 R1 I= =IM= H N C H OH C H H + O H N 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? H aminoácido C R2 + O R1 H C N H C C N C H O H R2 H OH enlace peptídico O C + H2O OH dipéptido aminoácido + agua Formación de un dipéptido. Unión de dos aminoácidos por medio de un enlace peptídico con la eliminación de una molécula de agua. La unión de varios dipéptidos forma un polipéptido, que es una cadena que contiene entre 6 y 50 aminoácidos (fig. 2.25). Si la cadena tiene más de 50 (por lo general cientos o miles), recibe el nombre de proteína. Un dipéptido se forma por la unión del grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro mediante un enlace peptídico. La unión de varios dipéptidos da origen a un polipéptido y la unión de éstos constituye una proteína. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 71 Biología general Figura 2.25 His Histidina Gli Glicina Asp Aspargina Ala Alanina Ser Serina Tri Triptófano Lis Lisina Gla Glutamina Glu Ác. glutámico Fen Fenilalanina Leu Leucina Met Metionina H Ser Ala Arg Asp Gla Leu Asp Lis His Ser H N His Ser Glu Gli Tri Fen Tri Ser Asp Tri Gli His Lis Tri Met Glu C Leu Fen Ser Val Gla Met OH O Estructura de un polipéptido. Cada círculo representa un aminoácido. Todas las proteínas de los seres vivos están compuestas por los 20 aminoácidos básicos. Sin embargo, las diferentes proteínas desempeñan funciones muy distintas. Algunas actúan como enzimas, otras como hormonas y algunas más como anticuerpos, explicación que verás más adelante. ¿A qué se debe esta diversidad funcional? La respuesta se encuentra en la forma en que se combinan los aminoácidos. El proceso de combinación de los aminoácidos es comparable a la utilización de las 28 letras del alfabeto español, con las que se forman infinidad de palabras. Así, con los 20 aminoácidos, es posible formar miles de proteínas. Por ejemplo, si consideramos como aminoácidos a las letras A, S y C, obtenemos las palabras CASA, SACA y ASCA. De manera análoga, los aminoácidos se combinan en diferente número y secuencia para constituir diversos tipos de proteínas. Las características de las proteínas dependen de las diferencias en la secuencia y número de aminoácidos. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cada célula animal y vegetal tiene miles de proteínas. Muchas de éstas son iguales en todos los seres vivos, aunque cada especie posee su propio conjunto y se les denomina proteínas específicas. Un ejemplo de proteína específica es la hemoglobina, cuya fórmula es C3032H4816O870(N780?)S8Fe4 (aún no se conoce el número exacto de átomos de nitrógeno de la molécula de hemoglobina). La hemoglobina interviene en el transporte de oxígeno en la sangre y, además, es el pigmento que le confiere su color rojo característico. Todas las proteínas están formadas por los mismos 20 aminoácidos básicos que se combinan en diferente número y proporción, lo cual determina la función de cada proteína. 0 G IA? P Forma y estructura espacial de las proteínas 3I9EACC FLASH Una molécula de hemoglobina tiene 574 aminoácidos. Hay 280 millones de moléculas de hemoglobina en cada uno de los glóbulos rojos. Las proteínas se clasifican según su forma y su estructura o arreglo espacial. Dependiendo de la forma, encontramos proteínas fibrosas y proteínas globulares (fig. 2.26). Las proteínas fibrosas, también llamadas helicoidales, son cadenas de polipéptidos ordenadas paralelamente a lo largo de un eje a manera de cilindro. Su función es estructural y forman parte de la piel, músculos y tendones, principalmente. En cambio, las proteínas globulares son cadenas de polipéptidos dobladas y enrolladas que participan en todos los procesos vitales del organismo; las enzimas y los anticuerpos son ejemplo de proteínas globulares. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G72 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Considerando su arreglo espacial, las proteínas se clasifican de acuerdo con su nivel de organización en: proteínas primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias, como se observa en el cuadro 2.12. La estructura primaria es la que presenta una secuencia sencilla de aminoácidos. La estructura secundaria se presenta cuando los puentes de hidrógeno permiten que se unan entre sí algunos aminoácidos de la cadena; las proteínas de estructura secundaria tienen formas de espiral o aplanadas. Algunas proteínas con estructura primaria y secundaria realizan funciones estructurales, como es el caso de la queratina, que es la proteína que forma parte de las uñas, el pelo, los cuernos y las plumas. Las proteínas de estructura terciaria tienen una conformación más compleja, pues se repliegan sobre sí mismas. Los repliegues confieren a las proteínas una forma característica y funciones específicas. Estas proteínas, por lo general, son globulares y mantienen su forma debido a la presencia de puentes de hidrógeno y de enlaces disulfuro; ambos tipos de enlaces son débiles y se pueden romper fácilmente. La mayoría de las enzimas son ejemplos comunes de proteínas globulares con estructura terciaria. Por último, las proteínas de estructura cuaternaria se forman cuando dos o más proteínas globulares se enlazan entre sí. Un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria es la hemoglobina. Figura 2.26 a b Estructura espacial de las proteínas. a) Fibrosa, b) globular. Cuadro 2.12 Arreglo espacial de las proteínas Niveles de organización (estructura) Descripción Ejemplo Primaria Secuencia sencilla de aminoácidos. Cadena polipeptídica. Secundaria Asociación por puentes de hidrógeno de los enlaces peptídicos. Queratina (uñas y pelo). Terciaria Asociación entre los grupos R de una cadena proteica. Hormonas, anticuerpos y enzimas. Cuaternaria Asociación entre dos o más proteínas globulares. Lana y hemoglobina. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Representación esquemática 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 73 Biología general Las temperaturas elevadas, o cambios en el pH, rompen los puentes de hidrógeno y los enlaces disulfuro de las proteínas terciarias, produciendo un desarreglo en la secuencia de aminoácidos. Este proceso, conocido como desnaturalización, ocasiona un cambio en la estructura y función de las proteínas y causa graves trastornos en el organismo, incluso la muerte. Un ejemplo común de la desnaturalización es el que se presenta al cocer un huevo. En este caso la albúmina (en la clara) es una proteína que se desnaturaliza por efecto del calor y cambia de estructura globular (líquido viscoso) a la forma fibrosa (masa semisólida blanca). Las proteínas se clasifican según su forma en fibrosas, como las de la piel, músculos y tendones; y en globulares, como las enzimas y los anticuerpos. Según su estructura espacial, las proteínas pueden ser primarias, secundarias, terciarias o cuaternarias. Las altas temperaturas o los cambios de pH provocan la desnaturalización de las proteínas. Composición química de las proteínas Por su composición química, las proteínas se dividen en simples y conjugadas. Las proteínas simples están formadas sólo por aminoácidos; entre ellas encontramos a la albúmina, proteína de la clara de huevo; las globulinas, como la gammaglobulina, que es una proteína de defensa; y las escleroproteínas, como el colágeno de tendones y ligamentos. Las proteínas conjugadas constan de aminoácidos unidos a un grupo prostético que puede estar integrado por metales, lípidos, azúcares o ácidos nucleicos. Entre las proteínas conjugadas encontramos las nucleoproteínas, que son proteínas combinadas con ácidos nucleicos; las glucoproteínas, combinaciones con azúcares; las fosfoproteínas, combinaciones con fosfatos; las metaloproteínas, como la hemoglobina que contiene hierro; y las lipoproteínas, uniones con lípidos. La actividad de muchas de las enzimas depende de sus grupos prostéticos o cofactores. FLASH La primera estructura de una proteína que se conoció fue la de la insulina, hormona secretada por el páncreas que regula la cantidad de azúcar en la sangre. Importancia biológica de las proteínas Como estudiaste en la sección anterior, los carbohidratos y los lípidos son los principales combustibles de las células. Las proteínas también son moléculas esenciales para los seres vivos porque, además de servir como reserva alimenticia, desempeñan otras funciones de gran importancia para los organismos. Entre los procesos vitales de las proteínas, sobresalen los siguientes (cuadro 2.13): r Constituyen el principal componente estructural de las células. Entre las proteínas estructurales más importantes encontramos el colágeno, la elastina y la queratina. El colágeno es una proteína fibrosa presente en el tejido conectivo, la elastina brinda elasticidad al tejido conectivo y a la piel, y la queratina se encuentra en el pelo, la epidermis y las uñas. r Actúan como catalizadores que aceleran la velocidad de las reacciones químicas, este tipo de proteínas se llaman enzimas. Más adelante estudiaremos con mayor detalle la función de las enzimas. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Según su composición química, las proteínas pueden ser simples o conjugadas. Las simples están formadas sólo por aminoácidos, como ocurre con la albúmina; y las conjugadas contienen un grupo prostético, como en las nucleoproteínas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G74 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos r Son reguladoras de funciones, como la insulina, que es la hormona que regula la concentración de glucosa en la sangre; la oxitocina, que regula las contracciones uterinas durante el trabajo de parto; y la vasopresina, que regula el diámetro de los vasos sanguíneos. r Protegen contra las infecciones cuando actúan como anticuerpos, que son elementos de defensa, como la gammaglobulina presente en la sangre. r 5SBOTQPSUBO moléculas específicas. Tal es el caso de la hemoglobina, que se encuentra en la sangre y cuya función es transportar oxígeno. r Participan en la formación de estructuras dedicadas a la producción de trabajo mecánico. Éstas son las proteínas contráctiles, como la miosina y la actina, ambas constituyentes de los músculos. r Intervienen en los procesos de coagulación de la sangre, como es el caso de la fibrina. r Forman parte del material de reserva para la producción de energía, como es el caso de la albúmina (proteína del huevo), o de la caseína presente en la leche. r Intervienen en la división celular, como las histonas, que son componentes de los cromosomas. Enzimas: catalizadores biológicos en cualquier tipo de célula existen más de mil moléculas de proteínas diferentes que permiten que se realicen diversos cambios químicos indispensables para que la célula se mantenga viva. A estas proteínas se les denomina enzimas o catalizadores biológicos. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin sufrir alteración. Las enzimas son catalizadores biológicos, se producen y actúan en las reacciones que realizan los seres vivos. Cuadro 2.13 Las proteínas actúan como: 1. Elementos estructurales. 2. Catalizadores (enzimas). 3. Reguladores de funciones (hormonas). 4. Elementos de defensa (anticuerpos). 5. Medios de transporte. 6. Materiales contráctiles. 7. Elementos en la coagulación. 8. Materiales de reserva. 9. Participantes en la división celular. FLASH Se ha calculado que una célula animal posee de mil a cuatro mil enzimas diferentes. Una sola enzima puede catalizar de diez mil a un millón de reacciones por minuto. Las células poseen gran variedad de enzimas, cada una responsable de un tipo de reacción; esto es, para cada reacción química existe una enzima especial. La sustancia sobre la que actúa una enzima se denomina sustrato (fig. 2.27). Una vez ocurrida la reacción química el sustrato se convierte en uno o más productos y la enzima se conserva sin cambios químicos. Figura 2.27 S3 S1 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= S2 E Especificidad de la enzima. Cada enzima actúa sobre una sustancia específica. Así, la enzima E sólo podrá actuar sobre el sustrato S2. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 75 Biología general Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores, aumentando la velocidad de las reacciones químicas de las células. La sustancia sobre la cual actúan es el sustrato. La mayoría de las enzimas reciben su nombre de acuerdo con el sustrato sobre el que actúan, agregándole la terminación “asa”. Así, la sacarasa es la enzima que actúa sobre la sacarosa, la ureasa sobre la urea; la amilasa degrada el almidón y la lipasa los lípidos; la desoxirribonucleasa actúa sobre el ácido desoxirribonucleico y la lactasa sobre la lactosa. Figura 2.28 Parte proteica o apoenzima Holoenzima Parte no proteica o cofactor Inorgánica, metal (Fe, Cu, K) Orgánica o coenzima Atendiendo a su composición química, existen dos tipos de enzimas: las que sólo están formadas por fracciones proteicas y las que, además de proteína, contienen una fracción no proteica o cofactor, que es indispensable para que la enzima actúe. Este tipo de enzimas reciben el nombre de holoenzimas. Observa la figura 2.28 que muestra los componentes de las holoenzimas. (vitaminas B2 y B6, NADP y NAD) Partes de una holoenzima. Además de la parte proteica, estas enzimas tienen un cofactor, el cual es indispensable para que actúen eficientemente. Una holoenzima es una enzima formada por dos tipos de fracciones: una proteica o apoenzima, y una no proteica o cofactor. Los factores pueden estar unidos a la enzima o unirse momentáneamente al sustrato. La mayoría de los cofactores son moléculas inorgánicas como los iones metálicos de hierro (Fe), potasio (K), cobre (Cu) y magnesio (Mg), entre otros. Otros cofactores, llamados coenzimas, son moléculas orgánicas como las vitaminas (B1, B2, B6, etcétera), o sustancias relacionadas con ellas como el NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleótido), el NADP (Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato) o el FAD (Flavín Adenín Dinucleótido). Estas últimas moléculas intervienen en el transporte de electrones en el interior de las células. Los cofactores son agentes químicos necesarios para que algunas enzimas puedan realizar sus funciones. Cuando el cofactor es una molécula orgánica, recibe el nombre de coenzima. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= FLASH La saliva contiene amilasa, que es una enzima digestiva cuya acción es romper la molécula de almidón. 3I9EACC Para que la mayoría de los compuestos orgánicos de las células reaccionen es necesaria cierta cantidad de energía llamada energía de activación. Una forma de proporcionar ésta es elevar la temperatura de la reacción, sin embargo, cuando la temperatura sobrepasa cierto límite, algunos compuestos orgánicos, como las 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G76 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 proteínas, se desnaturalizan, lo que puede causar la muerte de las células. La acción de las enzimas permite que los organismos realicen sus reacciones químicas a una velocidad adecuada sin aumentar su temperatura, al reducir la cantidad de energía de activación (fig. 2.29). Figura 2.29 Niveles de energía Energía de activación sin enzima Energía de activación con enzima Sustrato Productos Productos Reacción Reacción Efecto de las enzimas sobre la energía de activación. Las reacciones en las que participan las enzimas necesitan menor energía de activación que las que no utilizan enzimas. El papel que desempeñan las enzimas consiste en disminuir la energía de activación de los reactivos, con lo cual se logra una mayor velocidad de reacción sin necesidad de elevar la temperatura. Complejo enzima-sustrato Una vez que se ha llevado a cabo una reacción enzimática, los productos se separan de la enzima y ésta queda libre, sin alteración, para poder interactuar de nuevo con otro sustrato del mismo tipo (fig. 2.31). Figura 2.30 s s E 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Como ya mencionamos, cada enzima actúa sólo con un tipo de sustrato. Esto se debe a que cada una de ellas presenta configuraciones determinadas y, consecuentemente, sólo pueden asociarse con un determinado tipo de moléculas o sustratos en una forma específica. Esto ocurre porque la enzima posee sitios activos, es decir, lugares que, por su estructura, permiten su asociación al sustrato (fig. 2.30). Sitios activos Sitios activos de la enzima. Los sitios activos corresponden a los lugares en los que la enzima (E) se asocia al sustrato (S). 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 77 Biología general Figura 2.31 + E Enzima Reacción enzimática. La formación del complejo enzima-sustrato es reversible. + + S E S E Sustrato Complejo Enzima-Sustrato Enzima + P Productos La enzima y el sustrato se unen de manera transitoria en los sitios activos formando un complejo enzima-sustrato. Factores que afectan la actividad enzimática Figura 2.32 La velocidad de una reacción química catalizada por una enzima puede modificarse por la temperatura del medio, por cambios en el pH y por efecto de la concentración de la enzima o del sustrato. Velocidad máxima Velocidad de reacción Nivel de saturación Temperatura. Al incrementar la temperatura del sistema enzimático aumenta la velocidad de la reacción, aunque a temperaturas mayores a los 40 ºC se desnaturalizan las proteínas y, por consiguiente, se inactivan las enzimas. Cambios de pH. Un exceso de acidez o alcalinidad del medio puede desnaturalizar las enzimas. La mayoría de las actividades enzimáticas se realizan con pH cercanos a 7, es decir, en un medio neutro. Efecto de la concentración del sustrato sobre la actividad enzimática. La gráfica muestra que la velocidad de reacción es directamente proporcional a la cantidad de sustrato, hasta un cierto límite (saturación del sustrato), donde la velocidad se vuelve constante. Esto ocurre cuando la temperatura del pH y la concentración de las enzimas son constantes. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Concentración del sustrato 3I9EACC Concentración relativa de la enzima y el sustrato. Cuando en un sistema enzimático el pH y la temperatura permanecen constantes, la velocidad de reacción será proporcional a la concentración de la enzima, si ésta también se mantiene constante, la velocidad de reacción será proporcional a la cantidad de sustrato (fig. 2.32). FLASH Los efectos perjudiciales de una fiebre muy alta se deben a que las temperaturas elevadas desnaturalizan las proteínas, lo que altera las reacciones celulares y daña al organismo. La velocidad de una reacción enzimática depende de la temperatura y del pH así como de la cantidad de enzima y de sustrato del sistema. Para finalizar, diremos que el estudio de las enzimas no sólo tiene un interés biológico, sino que la investigación sobre la actividad enzimática posee significado para la industria. Por ejemplo, en la fabricación de la cerveza se utilizan levaduras cuyas enzimas digieren los azúcares de malta durante la fermentación, produciendo alcohol y CO2. También se utilizan enzimas para la elaboración de los llamados detergentes biológicos. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G78 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos VITAMINAS Además de los compuestos orgánicos, —como carbohidratos, lípidos y proteínas, las cuales son necesarias para el funcionamiento de los seres vivos—, éstos también requieren de otras sustancias, las vitaminas, para que ocurran los procesos metabólicos. Las vitaminas, aunque no actúan como nutrimentos, son indispensables para diversas funciones celulares. Las vitaminas (vita = vida; amina = compuesto nitrogenado) son compuestos orgánicos que los seres vivos requieren en cantidades muy pequeñas. No se usan como fuente de energía, pero participan en el metabolismo celular. Las plantas son capaces de producir todas las vitaminas que necesitan. Sin embargo, algunos animales, incluyendo al hombre, no pueden elaborarlas todas; por ello es necesario incluirlas en la alimentación. El ser humano sintetiza la vitamina D en la piel, pero las vitaminas K y B son el producto de la acción de algunas bacterias presentes en su intestino. De acuerdo con su solubilidad, las vitaminas se dividen en dos grupos: las vitaminas liposolubles (A, D, E y K) y las vitaminas hidrosolubles (C y complejo B). Las primeras se disuelven en las grasas, y las segundas en el agua. Cuando la cantidad de alguna vitamina es insuficiente en la dieta aparece una enfermedad por carencia, conocida como avitaminosis. No es recomendable autorrecetarse vitaminas, pues aunque algunas, como las hidrosolubles, se eliminan en la orina, otras, como las liposolubles, se almacenan en la grasa del cuerpo o en el hígado ocasionando alteraciones metabólicas y toxicidad. Puedes revisar las funciones de las vitaminas hidrosolubles y liposolubles que se muestran en el cuadro 2.14. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.14 Vitaminas y su función 3I9EACC Hidrosolubles Funciones metabólicas B1 o tiamina Coenzima en la respiración celular. Participa en el funcionamiento del sistema nervioso. B2 o riboflavina Oxidación en la respiración celular. Metabolismo de proteínas y glúcidos. B3 o ácido nicotínico o niacina Constituyente de coenzimas NAD y FAD en las reacciones de respiración celular. B6 o piridoxina Transporte activo de grupos amino. Formación de glóbulos rojos. B12 o cobalamina Promueve la producción de glóbulos rojos. Favorece al sistema nervioso. Ácido pantoténico Constituyente de la coenzima A que interviene en la respiración celular. Biotina Constituyente de coenzimas en los procesos metabólicos celulares. Ácido fólico Síntesis de células sanguíneas. Crecimiento y división celular. Colina Participa en el metabolismo de proteínas, carbohidratos y grasas. C o ácido ascórbico Antioxidante. Formación y mantenimiento del colágeno. Liposolubles A o retinol Fortalecimiento de la vista y ayuda a la elasticidad y cicatrización de la piel. D o calciferol Absorción de calcio. Metabolismo del fósforo. E o tocoferol Antioxidante. Protege los ácidos grasos. K o quinona Factor de coagulación. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 79 Biología general Las vitaminas son compuestos orgánicos indispensables para los procesos metabólicos. Se requieren en pequeñas cantidades y se clasifican en liposolubles e hidrosolubles. La insuficiencia de vitaminas en la alimentación causa trastornos de salud llamados avitaminosis. MOLÉCULAS TRANSPORTADORAS DE ENERGÍA (ATP) Una de las fuentes de energía más importante y accesible para los sistemas biológicos es la molécula de adenosín trifosfato o ATP. Todas las células utilizan ATP, razón por la cual este compuesto es conocido como la molécula universal de energía. Cuando se genera energía por procesos como la respiración celular, ésta debe transformarse en ATP para su almacenamiento y posterior utilización. A su vez, los carbohidratos, lípidos y las proteínas contienen reservas de energía que necesitan las células, pero dicha energía debe primero convertirse en ATP, pues es la única forma de energía que las células pueden utilizar de manera directa. En la sección Conoce más encontrarás información acerca de esta importante molécula. Como su nombre lo indica, la molécula de adenosín trifosfato está formada por adenina (base nitrogenada) y tres grupos fosfato. Ambas partes están unidas por una pentosa (azúcar de cinco carbonos) llamada ribosa (fig. 2.33). Esta estructura general, es decir, una base, un azúcar y fosfatos, también se presenta en los ácidos nucleicos: ADN y ARN. La importancia a nivel energético de la molécula de ATP, son sus enlaces fosfatofosfato (líneas onduladas en las figuras 2.33 y 2.34) que se hidrolizan con gran facilidad, es decir, se rompen al agregar agua. Cada vez que se rompe un enlace terminal del fosfato, se libera energía (–7.3 kcal/mol) y un fósforo inorgánico (Pi). Las uniones fosfato-fosfato reciben el nombre de enlaces de alto nivel energético debido a la gran cantidad de energía que liberan cuando se hidrolizan como se ve en la figura 2.34. Figura 2.33 Adenina C N C N Enlaces fosfato-fosfato CH C HC N N H O C C C H H P H C C 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= NH2 OH OH H O O P O O O P O O O P OH O H 3 fosfatos Ribosa Molécula del ATP. El ATP está formado por una base nitrogenada (adenina), una pentosa (ribosa) y tres fosfatos. Las líneas onduladas señalan los enlaces fosfato-fosfato de alto contenido energético. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G80 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Figura 2.34 Enlaces de alto nivel O O Adenina Ribosa P O O O P O Fósforo inorgánico O O P O OH O O Adenina Ribosa P O O O P O O Pi energía -7.3 kcal/mol Enlaces de alto nivel energético del ATP. Al romperse los enlaces de alto nivel (líneas onduladas) se libera energía y los fosfatos quedan disponibles para otras reacciones químicas. Conoce más Por serendipia se produjo la molécula de ATP Arturo Rosenblueth, científico mexicano fallecido en 1970, estaba convencido de que en la investigación es frecuente la “serendipia”; es decir, descubrimientos por accidente y sagacidad, cuando se está buscando otra cosa. De la serendipia pueden surgir hechos u observaciones que resultan completamente sorpresivos. Un caso de “serendipia” llevó a dos químicos, en el año 2000, a producir en su laboratorio una de las moléculas más importantes en los seres vivos: el ATP o trifostato de adenosina (también llamado adenosín trifostato). Arthur Broom y Nrusingha Mishra, de la Universidad de Utah (EUA), estaban trabajando en obtener moléculas de difosfato, distintas al ATP. Al final de sus trabajos encontraron que casi no había difosfatos, en cambio, 95% de los productos obtenidos de diversas reacciones químicas eran moléculas de ATP. ¿Por qué es tan importante el ATP? Porque al igual que la máquina de vapor necesita del vapor y que un motor eléctrico requiere electricidad, las células requieren una forma específica de energía para poder trabajar. La función principal del ATP es el transporte de energía química que está almacenada en los enlaces de los tres grupos fosfatos de dicha molécula. La función que realiza esta molécula es básica para la vida, a tal grado que en una ocasión Jim Barber, bioquímico de Londres, afirmó: “El ATP es la molécula más importante de la Biología.” 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Estudios en México sobre el ATP El científico mexicano Antonio Peña Díaz, del Instituto de Fisiología Celular de la UNAM, fue galardonado en el año 2003 por la ONU con el premio “Carlos J. Finlay” por contribuir al entendimiento del intercambio de nutrimentos entre las células y por su trayectoria en el campo de la microBiología. El premio, que se confiere cada dos años a investigadores que han ayudado al desarrollo de esta especialidad, fue entregado durante el Foro Mundial de la Ciencia realizado en Budapest, Hungría. Este reconocimiento es considerado uno de los más importantes después del Nobel. Peña Díaz ha dedicado cuatro décadas de su vida a la investigación; entre sus indagaciones destaca el estudio de los efectos del transporte del potasio a través de los iones en las membranas celulares de las miUPDPOESJBTZEFCJPNPMÏDVMBTDPNPMBTFO[JNBT(SBDJBTBFTUBTJOWFTUJHBDJPOFT TFQSPQVTPVONFDBOJTNP para el transporte del potasio en las células. También estudió el proceso por el cual el potasio estimula la fermentación que realizan las levaduras al transformar los azúcares en alcohol. Cuando le agregó potasio al proceso se incrementó la producción de alcohol; esto se debe a que el potasio estimula el metabolismo de las levaduras. Al analizar los cambios metabólicos, Peña Díaz concluyó que el transporte de potasio demanda más energía de la célula, por lo que el metabolismo se acelera, es decir, se produce más ATP, fuente principal de energía celular. Después de este descubrimiento otros investigadores han utilizado este mecanismo para incrementar los procesos de fermentación en otros organismos. Sobre la trayectoria y la distinción recibida, el científico Peña Díaz declaró: “Es una enorme satisfacción y me siento muy agradecido porque es un reconocimiento personal y un reconocimiento para la ciencia básica en general.” 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 81 Biología general Figura 2.35 ATP ADP Hidrólisis AMP Hidrólisis Hidrólisis del ATP. La hidrólisis del ATP forma ADP y la hidrólisis de esta molécula da origen al AMP. El compuesto que queda cuando se hidroliza el fosfato terminal del ATP es el adenosín difosfato (ADP). Si este compuesto, a su vez, sufre una hidrólisis, se convertirá en adenosín monofosfato (AMP) con la consecuente liberación de energía (fig. 2.35). La formación del ATP es un proceso inverso que ocurre mediante la fosforilación (adición de fósforo inorgánico) del ADP. Por esta razón, el ATP se conoce como una molécula cíclica, cuya síntesis es un proceso continuo (fig. 2.36). El ATP interviene en dos tipos de reacciones: las que liberan energía y las que la requieren. r Liberan energía: ATP c ADP + Pi + energía r Requieren energía: ADP + Pi + energía c ATP La energía liberada se utiliza en el metabolismo celular, como el transporte osmótico, la contracción muscular y la síntesis de tejidos, entre otros. La molécula universal de energía para los seres vivos es el ATP, formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfato. La hidrólisis de los altos niveles energéticos entre las uniones fosfato-fosfato libera gran cantidad de energía. La síntesis de ATP es un proceso cíclico. Figura 2.36 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Fosforilación Hidrólisis El ATP es una molécula cíclica. La fosforilación del ADP da lugar al ATP y la hidrólisis de éste forma ADP. Pi es el fósforo inorgánico. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G82 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Ácidos nucleicos PIENSA RÁPIDO Entre las biomoléculas más grandes, formadas por miles de monómeros, están los ácidos nucleicos, de los cuales hay dos tipos: el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico. Ambos ácidos están compuestos por subunidades llamadas nucleótidos, integradas por una pentosa, un grupo fosfato y una de cinco bases nitrogenadas (fig. 2.37). El nombre de cada ácido se deriva del tipo de pentosa presente en el nucleótido; así, el ADN contiene desoxirribosa y el ARN ribosa. Los nucleótidos también son la unidad estructural de la molécula de ATP, como vimos en secciones anteriores. ¿Cuáles son las diferencias entre la estructura del ATP y la de los ácidos nucleicos? Los ácidos nucleicos cumplen dos funciones vitales: determinar qué proteínas debe sintetizar cada célula, lo que a su vez regula el metabolismo, y transmitir la información genética de generación en generación. Por su relevante importancia, analizaremos con mayor detalle la estructura y función de los ácidos nucleicos en la siguiente unidad. Los ácidos están formados por nucleótidos, compuestos de una pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. Figura 2.37 Fosfato Base nitrogenada 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Azúcar Estructura general de un nucleótido. La molécula de azúcar determina el tipo de ácido nucleico: ribosa, ARN, desoxirribosa y ADN. Las biomoléculas nitrogenadas 1. Las proteínas son polímeros de aminoácidos formados por C, H, O, N y otros elementos. Existen 20 aminoácidos básicos que se unen por medio de enlaces peptídicos para formar polipéptidos y proteínas. 2. Los aminoácidos que el cuerpo humano no puede elaborar, pero que los requiere para su adecuado funcionamiento, se conocen como esenciales y son 10: fenilalanina, leucina, valina, arginina, isoleucina, lisina, metionina, triptófano, treonina e histidina. 3. Las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes en los seres vivos, constituyen de 50 a 70% de su peso seco. Cada especie posee sus proteínas específicas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 83 Biología general 4. Con base en su forma, las proteínas son: a) fibrosas o helicoidales, que tienen una función estructural, pues forman parte de la piel, los músculos y los tendones, b) globulares, como las enzimas y los anticuerpos que participan en todos los procesos vitales y en la defensa del organismo respectivamente. 5. Las proteínas también se clasifican con base en su nivel de organización y se conocen como: a) de estructura primaria, en la que se presenta una secuencia específica de aminoácidos, b) de estructura secundaria, que se forma mediante la asociación de enlaces peptídicos por puentes de hidrógeno, c) de estructura terciaria, en la que la proteína se repliega sobre sí misma, dándole una apariencia globular, d) de estructura cuaternaria (hemoglobina), formada por el enlace de dos o más proteínas globulares. 6. Las proteínas simples son las que sólo contienen aminoácidos, como las albúminas o las globulinas; en tanto que las proteínas conjugadas están formadas por aminoácidos y otras moléculas, como azúcares, lípidos y metales (grupo prostético). Son proteínas conjugadas las glucoproteínas, lipoproteínas y metaloproteínas (como la hemoglobina). 7. Las proteínas son moléculas esenciales para los seres vivos porque desempeñan funciones variadas; actúan como elementos estructurales (colágeno, elastina), catalizadores (enzimas), hormonas (insulina, oxitocina), elementos de defensa (anticuerpos), materiales contráctiles (miosina), medios de transporte (hemoglobina), elementos de coagulación (fibrina), materiales de reserva (albúmina) y participantes en la división celular (histonas). 8. Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, es decir, aumentan la velocidad de las reacciones químicas de las células sin sufrir alteración. Cada enzima es específica para una reacción química. Sustrato es la sustancia sobre la que actúa una enzima; después de la reacción química, forma los productos. 9. El nombre de la mayoría de las enzimas tiene como base el nombre del sustrato más la terminación asa. Por ejemplo: la sacarasa (de sacarosa), la lipasa (de lípidos) y la lactasa (de lactosa). 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 10. Existen enzimas constituidas totalmente por fracciones de proteína y otras, las holoenzimas contienen, además, un componente no proteico llamado cofactor, que debe estar presente para que la enzima actúe. Los cofactores son iones metálicos (Fe, K, Cu, Mg y otros) o moléculas orgánicas (algunas vitaminas, NADP y otros) que reciben el nombre de coenzimas. 11. El mecanismo de acción de las enzimas consiste en disminuir la energía de activación necesaria para que se realice una reacción química. La velocidad de una reacción enzimática está determinada por: la temperatura, que al incrementarse aumenta la velocidad de reacción; el pH, ya que las enzimas actúan de manera más eficiente en un pH neutro, y la concentración de enzima y sustrato pues al aumentar la concentración de enzima o sustrato, se incrementa la velocidad de la reacción hasta llegar a un nivel de saturación. 12. En la configuración espacial de una enzima, se localizan ciertas regiones llamadas grupos activos, con los cuales se une transitoriamente al sustrato, formando un complejo enzima-sustrato reversible. 13. Las vitaminas son moléculas orgánicas necesarias para el metabolismo celular, de las cuales se requieren cantidades muy pequeñas. Se clasifican en liposolubles, como las vitaminas A, D, E y K; e hidrosolubles, que comprende las vitaminas del complejo B y C. 14. La carencia de vitaminas causa enfermedades y trastornos en diferentes procesos metabólicos, debido a que algunas de ellas son constituyentes de las coenzimas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G84 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 15. La molécula universal de energía es el ATP o adenosín trifosfato, formado por una base nitrogenada (adenina), un azúcar (ribosa) y tres fosfatos. 16. Las uniones fosfato-fosfato del ATP reciben el nombre de enlaces de alto nivel energético porque liberan gran cantidad de energía (–7.3 kcal/mol) cuando se hidrolizan. Esto ocurre en las transformaciones del ATP a ADP (adenosín difosfato) y de éste a AMP (adenosín monofosfato). 17. El ATP es una molécula cíclica pues su hidrólisis da lugar al ADP y la fosforilación de éste sintetiza nuevamente el ATP. 18. Los ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN), y el ácido ribonucleico (ARN), que constituyen el material hereditario de la célula. Están formados por una pentosa, un grupo fosfato y una base nitrogenada. 2.4 LA CÉLULA Desde la antigüedad, los filósofos y naturalistas habían llegado a la conclusión de que tanto los animales como los vegetales estaban constituidos por diversos elementos comunes. Para ellos, estos elementos eran las estructuras macroscópicas, como raíces, tallos, hojas y flores en los vegetales, y segmentos u órganos en los animales. Como en esa época no existían aparatos ni técnicas para observar las estructuras microscópicas, las células y sus componentes más importantes pasaron inadvertidos. En el siglo xvii, con el invento del microscopio, fue posible aumentar la imagen de los materiales vivientes, lo que permitió establecer las bases de la Biología celular, disciplina moderna que se apoya en la bioquímica, genética, fisiología, biofísica e histología, para estudiar la estructura, organización y funcionamiento de la célula. Así se ha logrado describir el transporte de diferentes moléculas hacia dentro y fuera de la célula a través de membranas. El transporte de sustancias es vital, pues proporciona a la célula compuestos que proveen energía y por otra parte, elimina aquellos que resultan nocivos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= En este tema aprenderás qué es una célula y sus tipos, los postulados de la teoría celular y la estructura y función de los organelos. Además, analizarás los mecanismos que regulan la entrada y salida de sustancias y agua en la célula. Entender las interrelaciones de las funciones celulares te permitirá avanzar un paso más en el conocimiento de los seres vivos. HISTORIA DE LA BIOLOGÍA CELULAR En el siglo xvii, varios investigadores contribuyeron al desarrollo de la Biología celular. Entre ellos, destaca Robert Hooke, físico inglés que empleó por primera vez la palabra célula en su libro titulado Micrographia, publicado en Inglaterra en 1665. Él observó al microscopio un corte de corcho que describió como una estructura formada por huecos o espacios similares a las celdillas de un panal, a los que llamó células o celdas. Lo que en realidad observó Hooke, no eran células, sino espacios o cavidades dejados por células muertas entre las paredes celulares del corcho. Además, no le dio mucha importancia a lo que había dentro de esas paredes, que él llamó jugo nutricio, y que ahora sabemos son las verdaderas células. En 1675, el holandés Anton Van Leeuwenhoek contribuyó de manera especial al desarrollo de la Biología celular con el descubrimiento de los microbios en el agua. Observó una gota de agua de estanque a través del microscopio y descubrió gran variedad de microorganismos unicelulares nunca antes vistos (fig. 2.38). A partir del siglo xix, la fabricación de microscopios con lentes de mayor poder de resolución permitió importantes avances en el área de la Biología celular, como los que citamos a continuación. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 85 Biología general Figura 2.38 Microorganismos. Leeuwenhoek, en el siglo XVII, describió a los organismos que observó en el agua estancada. En 1824, el investigador francés Henri Dutrochet observó al microscopio porciones de plantas y animales, después de lo cual propuso que éstas se encontraban formadas por células, las que constituían las unidades básicas de la estructura de los seres vivos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= El botánico inglés Robert Brown, en 1831, fue el primero en observar el núcleo en sus estudios en células vegetales. Posteriormente, en 1839, Jan E. Purkinje, fisiólogo checo, acuñó el término protoplasma para designar el contenido vivo de la célula. Entre 1838 y 1839, Matthias J. Schleiden, botánico alemán, y Theodor Schwann, zoólogo de la misma nacionalidad, relacionaron todos los descubrimientos anteriores y los ampliaron con sus propias observaciones en tejidos vegetales y animales, respectivamente, lo que los llevó a elaborar la teoría celular. Esta teoría constituye uno de los conceptos generales y fundamentales de la Biología y establece que la célula es la unidad básica estructural y funcional de los seres vivos, y que todos los organismos están constituidos por una o más células. A mediados del siglo xix se amplió la investigación celular. Rudolf Virchow, investigador alemán, aplicó la teoría celular al estudiar las células de tejidos enfermos. Consideró a la célula como unidad estructural y estableció que todas las células se originan a partir de otras. En 1855 escribió el tratado Omnis cellula e cellula, donde completó las ideas expuestas sobre la teoría celular. TEORÍA CELULAR De acuerdo con la teoría celular, la célula es la unidad anatómica, funcional y de origen de todos los seres vivos. La teoría celular se resume de la siguiente manera: 1. Todos los seres vivos están formados por una o más células. En el caso de protozoarios y bacterias, un organismo está formado por una sola célula; los seres vivos superiores están formados por muchas. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G86 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 2. En las células se realizan todas las reacciones metabólicas. La actividad metabólica de un organismo en su conjunto, es la suma ordenada y coordinada de todas las actividades metabólicas de sus células independientes. 3. Las células nuevas se forman por división de las células preexistentes. Éstas contienen el material hereditario que dirige la división celular. Un organismo crece cuando sus células individuales se duplican. Los descubrimientos de otros investigadores ampliaron el conocimiento sobre las estructuras de la célula y su función. Así, en 1885, August Weissman, biólogo alemán, propuso la teoría de la continuidad del plasma germinativo, la cual establece que “en las células sexuales (espermatozoides y óvulos) se localiza el plasma germinativo encargado de la transmisión de los factores hereditarios”. En 1890, Robert Altmann, investigador alemán, describió ciertos componentes en forma de gránulos del citoplasma, que se creía intervenían en la producción de energía, a los que más tarde se les llamó mitocondrias. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.15 Génesis de la Biología celular. Principales aportaciones al conocimiento de la célula 3I9EACC Año Investigador Aportación 1665 Hooke Publicó Micrographia, donde señala la existencia de “células” en el corcho. 1675 Leeuwenhoek Observó, por primera vez al microscopio, gran variedad de formas unicelulares (microbios). 1824 Dutrochet Propuso que todos los tejidos de plantas y animales están formados por células. 1831 Brown Reconoció al núcleo como estructura central y pequeña. 1839 Purkinje Aportó el nombre del protoplasma al contenido vivo celular. 1838-1839 Schleiden y Schwann Propusieron la teoría celular, estudiando células vegetales y animales, respectivamente. 1855 Virchow Publicó Ominis cellula e cellula, donde establece que todas las células surgen a partir de otras preexistentes. 1885 Weismann Propuso que el plasma germinativo (óvulos y espermatozoides) es el responsable de la transmisión de caracteres. 1888 Boveri Describió el centríolo. 1890 Altmann Descubrió gránulos en el citoplasma, a los que más tarde se les llamó mitocondrias. 1898 Golgi Describió el aparato de Golgi. 1952 De Duve Describió los lisosomas. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 87 Biología general Theodore Boveri, investigador alemán, descubrió en 1888 el centríolo, aunque su estructura se reveló más tarde por medio de estudios con microscopio electrónico. En 1898, el investigador italiano Camilo Golgi descubrió en el citoplasma de las células una red de gránulos y filamentos, ahora conocida como aparato de Golgi. En 1950, con ayuda del microscopio electrónico, se comprobó que estas estructuras son componentes de las células que tienen núcleo. Posteriormente, en 1952, Christian De Duve, citólogo y bioquímico inglés, describió a los lisosomas “como estructuras presentes en la mayoría de las células”. En el cuadro 2.15 encontrarás un resumen de las aportaciones de los principales investigadores en el campo de la Biología celular. La teoría celular establece que la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos y que todas las células provienen de otras preexistentes. CÉLULAS PROCARIONTES Y EUCARIONTES De la misma forma en que el átomo es considerado la unidad básica de la materia, la célula es la unidad básica estructural y funcional de los seres vivos. La célula es la unidad básica de estructura y función de los seres vivos. Las células se han dividido en dos grupos, según el grado de complejidad en la organización de sus estructuras: células procariontes y células eucariontes (fig. 2.39). Las células procariontes (pro: antes; karion: núcleo) carecen de una membrana nuclear. Las bacterias son los organismos procariontes más abundantes. Las células eucariontes (eu: verdadero; karion: núcleo) tienen una membrana que delimita el núcleo del citoplasma. Los protozoarios, algas, hongos y todos los animales y plantas, son organismos eucariontes. Figura 2.39 Pared celular Estigma Vacuola Citoplasma Núcleo Reservorio ADN Ribosomas Nucléolo Vacuola contráctil Membrana celular 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Flagelo Cloroplasto Membrana celular Flagelo a b Células procariontes y eucariontes. Observa las diferencias entre una célula procarionte de una bacteria a) y una célula eucarionte de una euglena b). 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G88 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Las células procariontes carecen de membrana nuclear y organelos, en cambio, las células eucariontes sí poseen estas estructuras. Figura 2.40 a En el cuadro 2.16 encontrarás algunas características que distinguen a las células procariontes de las eucariontes. Las células procariontes no tienen organelos rodeados por membranas y su reproducción se lleva a cabo por fisión binaria, gemación u otros mecanismos. Son organismos unicelulares y su ADN se encuentra en un solo cromosoma. b 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.16 Diferencias entre células procariontes y eucariontes Características Procariontes Eucariontes Tamaño de la célula Pequeñas, generalmente entre 1 y 10 micras. Grandes, generalmente entre 10 y 100 micras. Membrana nuclear Núcleo no delimitado por membrana. Núcleo delimitado por membrana. ADN Es un cromosoma único en el citoplasma. En varios cromosomas localizados en el núcleo. Organelos Transitorios, si llegan a estar presentes. Permanentes. Presentan cloroplastos y mitocondrias con membrana y otros tipos de organelos. División celular Fisión binaria, gemación u otros; ausencia de mitosis. Mitosis o meiosis. Organización celular Sólo unicelulares. Unicelulares y pluricelulares. Ejemplos Bacterias y arqueobacterias. Protozoarios, algas, hongos, plantas y animales. Diferentes tipos de organismos. a) Unicelulares, b) pluricelulares. Tanto los organismos unicelulares, como los pluricelulares (plantas y animales), realizan todas las funciones vitales. Las células eucariontes son mucho más complejas y de mayor tamaño. Tienen organelos, como los cloroplastos y las mitocondrias, rodeados de membranas; su reproducción está asociada con la mitosis, y algunas poseen cilios o flagelos complejos. La organización celular de las células eucariontes es principalmente pluricelular, y el ADN se encuentra en una cantidad constante de cromosomas para cada especie. La capacidad que tiene una célula de vivir de manera independiente requiere de un proceso metabólico muy organizado. La célula debe captar sustancias nutritivas de su medio externo y transformarlas en energía que utilizará para mantener los procesos vitales, eliminar los desechos y reponer su desgaste para asegurar su crecimiento, reproducción y autorregulación. Si las funciones metabólicas vitales se alteran, la célula pierde su organización y muere. Todas estas funciones se manifiestan en organismos formados por una sola célula o unicelulares, como los protozoarios y las bacterias, y en organismos integrados por miles de células o pluricelulares, como los seres vivos superiores (fig. 2.40). La mayoría de las células son tan pequeñas (entre 1-100 µm, una micra es igual a 0.001 mm), que sólo se pueden observar al microscopio; mientras que otras, como los huevos de aves, miden varios centímetros. La forma de las células puede ser esférica, ovoide, alargada o fusiforme, y está relacionada con el tipo y la función que 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 89 Biología general desempeñan en el organismo. En los animales existen diferentes tipos de células: nerviosas, que conducen impulsos eléctricos; musculares, para el movimiento y la contracción; glandulares, que intervienen en la elaboración de sustancias; y sanguíneas, que transportan oxígeno, entre otras (fig. 2.41). Las plantas también poseen células especializadas, como las protectoras, que tienen paredes gruesas para evitar la desecación o lesiones mecánicas; las fundamentales, que producen y almacenan alimentos; y las conductoras, que transportan las sustancias nutritivas. En la sección Conoce más encontrarás información acerca de las células madre y de los usos que se les está dando en la medicina. Figura 2.41 Células musculares lisas MORFOLOGÍA CELULAR Las distintas clases de células eucariontes tienen mayor grado de organización que las procariontes. En todas ellas, a pesar de la diversidad de formas y funciones, se pueden distinguir los diferentes componentes fundamentales de la célula distribuidos en tres regiones: un límite externo, el núcleo y el citoplasma. En este último se localizan varios organelos con distintas funciones. En el cuadro 2.17 encontrarás un resumen de los componentes celulares y su distribución por región. Axón Cuadro 2.17 Distribución por regiones de los elementos celulares Pared celular Límite externo Membrana celular Cromatina (cromosomas) Núcleo Nucléolo Neurona Envoltura nuclear Citosol I= =IM= (agua y proteínas) Citoesqueleto 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Célula Centríolos Cilios y flagelos Célula muscular estriada Retículo endoplásmico Citoplasma Estructuras y Ribosomas organelos "QBSBUPEF(PMHJ citoplásmicos Lisosomas P 7BDVPMBT 0 G IA? Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos Eritrocitos Otros plastidios Tipos de células. La forma y tamaño de las células está en relación con la función que desempeñan en el organismo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G90 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Conoce más Células madre Las llamadas células madre, o stem cell, tienen la capacidad de autorrenovarse y regenerar células diferenciadas. Se reconocen dos tipos de células madre: las células embrionarias y las células órgano-específicas. Las primeras son pluripotenciales, ya que son capaces de generar todos los tipos celulares. Las células madre órgano-específicas son multipotenciales, pues originan células de cierto órgano, como las que se extraen de la médula ósea y de otros órganos adultos. Antes se consideraba que las células órgano-específicas sólo podían generar células especializadas, sin embargo, ahora se sabe que estas células tienen la capacidad de reprogramarse y transdiferenciarse. Investigación de las células madre Desarrollo de medicamentos y pruebas de toxicidad Experimentos para estudiar el desarrollo y control genético Cultivo de células madre pluripotentes Tejidos y células para ser usadas en terapia 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Médula ósea 3I9EACC Células nerviosas Células del músculo del corazón Células pancreáticas El descubrimiento de las células madre y su uso en el tratamiento de ciertos padecimientos generó, en años pasados, controversias éticas importantes, debido a que se pensaba que sólo podían obtenerse de embriones. Actualmente, se conoce su capacidad de transdiferenciación, por lo que el número de investigaciones y hallazgos de su aplicación se ha incrementado. En 2008, se implementaron tratamientos con células madre para tratar diversos padecimientos, como los que se citan a continuación: 1. La investigadora Catriona Jamieson y su equipo de la Universidad de California en San Diego (EUA), propusieron un tratamiento contra la leucemia y de prevención de ataques cardiacos utilizando células madre. Estos investigadores descubrieron un inhibidor de una mutación del cuerpo que genera una sobreproducción de células rojas que provoca desórdenes en la sangre. El procedimiento con células madre ya se está probando con personas. 2. Científicos japoneses descubrieron que es posible la regeneración de tejido óseo usando células madre. Ellos utilizaron las provenientes de los dientes de cachorros de perro para implantarlas en los maxilares de perros adultos. Este hallazgo, por tratarse de animales grandes, puede representar un avance ante la posibilidad de aplicarlo en humanos. 3. El Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS), informó que realizará implantes de células madre en el corazón de pacientes con insuficiencia cardiaca en etapa terminal. Estas intervenciones se llevarán a cabo en el Centro Médico Siglo XXI, con el fin de elevar la calidad de vida de las personas con estos padecimientos. El IMSS va a la vanguardia en este campo con el mayor número de casos tratados y con cifras de mortalidad bajas. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 91 Biología general a Poro nuclear Núcleo Citoesqueleto Ribosomas Membrana plasmática Retículo endoplásmico rugoso Membrana nuclear Nucléolo Cromatina Retículo endoplásmico liso Mitocondria Aparato de Golgi Peroxisoma Centríolos Citoplasma Lisosoma b Cloroplasto Citoesqueleto Núcleo Membrana plasmática Ribosomas Gran vacuola central Nucléolo 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Plasmodesmo Pared celular Lisosoma Retículo endoplásmico rugoso 0 G IA? P Retículo endoplásmico liso Figura 2.42 Células eucariontes. a) Célula animal, b) célula vegetal. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G92 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Peroxisoma Mitocondria Aparato de Golgi 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos DIFERENCIAS ENTRE CÉLULA ANIMAL Y VEGETAL Los animales y las plantas tienen características específicas que nos permiten distinguirlos. Uno de los criterios para separarlos es el tipo de nutrición; sin embargo, las diferencias morfológicas se observan desde la organización de sus células. Las células vegetales tienen una pared celular y presentan cloroplastos, pero por lo general carecen de centríolos. En la figura 2.42 mostramos esquemas de la célula animal y vegetal. En ambos casos se observan todos los organelos presentes en cada tipo celular, en realidad, la presencia y la cantidad de los organelos depende de la función y de la ubicación de la célula. Las células vegetales tienen pared celular y cloroplastos. Las células animales carecen de estas estructuras y presentan centríolos. Límite externo En este apartado describiremos los componentes celulares, partiendo de la región externa a la interna. En la porción externa de la célula se pueden observar la pared celular (sólo en ciertas células) y la membrana plasmática. Pared celular En las plantas, algas, hongos y bacterias, se presenta una capa externa rígida formada, principalmente, por celulosa, que recibe el nombre de pared celular, cuya función es dar soporte y rigidez a las células. Las células animales carecen de esta estructura. Las bacterias tienen una pared celular integrada por diferentes polisacáridos; en los hongos uno de los componentes de la pared es la quitina. Figura 2.43 La pared celular se puede modificar y adoptar diferentes formas para realizar funciones especiales. En los tejidos vegetales de sostén, como el colénquima y el esclerénquima, se desarrollan paredes celulares más gruesas que en el resto de los tejidos para dar soporte a las células. En el xilema, tejido vegetal de transporte de agua y sales minerales, las células tienen forma alargada y en la madurez pierden su contenido y desarrollan una pared gruesa, la cual les confiere una forma de “popote”, que les permite absorber y transportar sustancias (fig. 2.43). Pared celular. Lo que ves es un corte longitudinal de dos células de xilema, observa el grosor de la pared y cómo se conecta una célula con otra para permitir la conducción de savia bruta. La pared celular es una capa rígida externa a la membrana plasmática formada en mayor proporción por celulosa. Se presenta en células vegetales y sus principales funciones son: proporcionar rigidez y forma a las células, facilitar el transporte de agua y sales minerales y dar sostén a tejidos y órganos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Las paredes celulares de las plantas se forman con microfibrillas de celulosa que se depositan en diversos ángulos, constituyendo capas alrededor de las células, lo que les proporciona gran resistencia. Estas microfibrillas se impregnan, además, con ciertas sustancias endurecedoras como la lignina y la pectina, que le dan a la pared mayor rigidez. Algunas células vegetales, como las del corcho, secretan suberina, sustancia cerosa repelente al agua que brinda protección. Membrana celular o plasmática Todas las células, tanto las procariontes como las eucariontes, presentan una capa externa que rodea, protege y da forma a la célula. Esta capa es la membrana celular 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 93 Biología general Figura 2.44 Glúcidos Proteínas Bicapa de fosfolípidos Cabeza polar hidrofílica Colas apolares hidrofóbicas Fosfolípidos Membrana celular. La membrana plasmática está formada por una bicapa de fosfolípidos que tiene asociadas proteínas, glucoproteínas y glucolípidos. o plasmática y representa la envoltura que le permite a la célula mantener su integridad e individualidad. Además, por medio de la membrana plasmática, la célula puede “comunicarse” con el exterior para alimentarse y desechar sustancias tóxicas. La principal función de la membrana es intervenir directamente en el paso de sustancias de un lado a otro de la célula. La membrana celular está formada por diferentes clases de lípidos, proteínas y carbohidratos (cuadro 2.18), y su estructura corresponde esencialmente a una doble capa de fosfolípidos (fig. 2.44). Recuerda que los fosfolípidos están formados por una porción hidrofílica y una hidrofóbica. Cada capa de fosfolípidos en la membrana celular está colocada de tal forma que las colas hidrofóbicas de una quedan frente a las colas de la otra. Así, forman una región interna hidrofóbica y una región externa hidrofílica. La doble capa lipídica es el “esqueleto” de la membrana en la que se ensamblan proteínas y lípidos. Cuadro 2.18 Componentes de la membrana plasmática Lípidos Fosfolípidos Transmembranales Proteínas Membrana celular Periféricas De superficie 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Carbohidratos 3I9EACC (MVDPQSPUFÓOBT (MVDPMÓQJEPT Debido a que la membrana celular está formada principalmente por lípidos, se considera que tiene una consistencia de aceite. Se ha demostrado que los lípidos y las proteínas no permanecen fijos (como se pensaba antiguamente), sino que tienen movilidad lateral en esta capa fluida. El modelo de membrana aceptado actualmente, propuesto por Singer y Nicholson, hace alusión a su característica de flujo y se conoce como modelo de mosaico fluido. Esta movilidad facilita la entrada y salida de ciertas sustancias. Asociadas a la bicapa de fosfolípidos se encuentran las proteínas de la membrana que se distinguen de acuerdo con su posición (fig. 2.44). Las transmembranales atraviesan la membrana; las periféricas están embebidas parcialmente en la capa fosfolipídica; y las superficiales se encuentran en la porción hidrofílica de la membrana (ya sea hacia el interior o exterior de la célula). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G94 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Las proteínas de la membrana tienen varias funciones, entre las que destacan: actuar como enzimas y participar en ciertas reacciones; servir de sostén al formar puentes con el citoesqueleto y transportar sustancias. Esta última se considera la más importante, pues algunas proteínas de membrana funcionan como acarreadoras en el transporte activo, utilizando parte de la energía celular, y otras permiten el paso de ciertos iones. Las moléculas de carbohidratos se asocian a proteínas y lípidos lineales para formar glucoproteínas y glucolípidos, respectivamente. La función principal de estas moléculas es el reconocimiento celular además de ser receptores hormonales. Observa en el cuadro 2.19 los diferentes tipos de moléculas que forman la membrana plasmática y sus características estructurales. Las membranas celulares no aíslan entre sí a las células que forman los tejidos de los organismos pluricelulares, sino que mantienen su comunicación por medio de canales y puentes citoplasmáticos, permitiendo el paso de sustancias de una a otra célula. A estas uniones intercelulares se les denomina desmosomas en células animales y plasmodesmos en células vegetales (fig. 2.45). La membrana celular o plasmática es la cubierta externa que da a la célula protección y forma, permite mantener su integridad e individualidad y regula la entrada y salida de sustancias. Contiene una doble capa de fosfolípidos y proteínas y posee estructuras que permiten la comunicación entre las células. FLASH El tipo de proteínas y carbohidratos de la membrana permiten que los glóbulos blancos (leucocitos) reconozcan a las células infectadas, debido a que éstas se presentan como moléculas extrañas en la membrana plasmática. Figura 2.45 a Pared celular Lamela Célula 1 Célula 2 0 G IA? Plasmodesmos Membrana celular Moléculas de la membrana celular Características estructurales Fosfolípidos Constituyen una doble capa con las colas hidrofóbicas hacia el interior y las cabezas hidrofílicas hacia el exterior. Proteínas transmembranales Son proteínas grandes que se extienden a través de la membrana. Proteínas periféricas Son proteínas pequeñas, parcialmente sumergidas en la bicapa de fosfolípidos. Proteínas de superficie Son proteínas pequeñas que yacen sobre la superficie. Son totalmente hidrofílicas. Glucoproteínas y glucolípidos Formados por carbohidratos que se unen a proteínas oa Membrana celular lípidos lineales, los cuales se encuentran anclados en la membrana. Comunicación celular. P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.19 Estructura y función de las moléculas que constituyen la membrana celular b Dentro de la célula Dentro de la célula a) Plasmodesmos en células vegetales y b) desmosomas en células animales. EL NÚCLEO Se considera al núcleo como el organelo de mayor tamaño de la célula. Se presenta en todas las células eucariontes, aunque en algunas se pierde en la madurez, como ocurre en los glóbulos rojos en los animales (eritrocitos) y en las células del floema 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 95 Biología general Figura 2.46 en los vegetales. El núcleo es el centro rector de las funciones de la célula, principalmente de la reproducción celular. Cromatina Poro nuclear Envoltura nuclear Nucleoplasma Retículo endoplásmico rugoso Nucléolo Núcleo. Observa el nucléolo, la cromatina y la envoltura nuclear. Figura 2.47 Membrana o envoltura nuclear Envoltura nuclear. Observa los poros de la envoltura nuclear. 0 G IA? Dentro del núcleo se encuentran los cromosomas, palabra que significa cuerpos coloreados, aludiendo a su capacidad de tinción. En los procariontes el ADN (ácido desoxirribonucleico) se presenta como una molécula circular formando un cromosoma único, mientras que en los eucariontes los cromosomas son estructuras formadas por moléculas de ADN y gran cantidad de proteínas. Dentro de cada molécula de ADN, es decir, de cada cromosoma, se localizan los genes, que son secuencias de ADN en las que se encuentran codificadas las características hereditarias. Cuando las células se encuentran en reposo, esto es, sin dividirse, el material genético (ADN) se halla en forma “desordenada”, constituyendo la cromatina. Ésta se condensa para formar los cromosomas, lo cual sucede poco antes de la división celular. Por tanto, la cromatina y los cromosomas son expresiones distintas del material genético. El núcleo contiene una o varias estructuras pequeñas susceptibles de teñirse de color oscuro y reciben el nombre de nucléolo (núcleo pequeño). El nucléolo no tiene membrana propia, es un conglomerado de ARN (ácido ribonucleico) y proteínas, y su función es sintetizar al ARN ribosomal y a los ribosomas. Durante la división celular el material del nucléolo se dispersa y, cuando la célula está en reposo, se condensa. El núcleo presenta una doble membrana o envoltura nuclear formada por fosfolípidos y proteínas que presenta gran cantidad de aberturas o poros nucleares esparcidos sobre toda su superficie (fig. 2.47). Vistos a mayor aumento, se observa que estos poros no son simples aberturas, sino que corresponden a proteínas ordenadas en racimos que rodean a un conjunto central. Los poros permiten el intercambio de sustancias entre el núcleo y el citoplasma. El núcleo es el rector de las funciones celulares, contiene a los cromosomas (o cromatina) y al nucléolo, y presenta una envoltura nuclear. Controla la herencia y dirige la división celular. P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Poros nucleares Visto en preparaciones bajo el microscopio, el núcleo resalta fácilmente por ser el organelo de mayor tamaño, además de que tiene alta capacidad de tinción. En el núcleo se distinguen los cromosomas, el nucléolo y la envoltura nuclear (fig. 2.46). CITOPLASMA El citoplasma es la región de la célula que se localiza entre la membrana celular y el núcleo. En él se realiza la mayor parte de las funciones metabólicas de la célula. La diferencia entre el citoplasma de las células procariontes y el de las eucariontes es 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G96 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos que este último presenta membranas internas que forman compartimentos y organelos. Sin embargo, la sustancia que forma al citoplasma, el citosol, es muy similar en ambos tipos de células. La matriz citoplásmica o citosol es muy abundante en las células poco especializadas, como las del parénquima (tejido vegetal). Esta matriz está formada principalmente por agua, entre 70 y 80%, y su consistencia varía dependiendo de la concentración de moléculas, las más abundantes son las proteínas estructurales y las enzimas. El citoplasma presenta propiedades coloidales y en él ocurren transformaciones de sol a gel que permiten el movimiento intracelular y amiboideo. Algunas estructuras celulares del citoplasma no se distinguen con el microscopio óptico, sin embargo con el microscopio electrónico se observan dentro del citoplasma los sistemas de membrana que forman gran cantidad de compartimentos y organelos donde se realizan funciones específicas. El citoplasma es una sustancia formada principalmente por agua y proteínas. Se localiza entre el núcleo y la membrana celular y en él se llevan a cabo las reacciones metabólicas de la célula. ESTRUCTURAS Y ORGANELOS CELULARES Citoesqueleto En el citoplasma se encuentra una trama de microtúbulos y microfibrillas, conocida como citoesqueleto, que permite a la célula mantener su forma (fig. 2.48). Los microtúbulos y microfibrillas participan en algunas funciones celulares, como el movimiento celular y la mitosis, principalmente. Los microtúbulos son tubos pequeños y delgados formados por una proteína llamada tubulina, compuesta de esferas pequeñas que se organizan para formar el tubo (fig. 2.49). Figura 2.49 Esferas de tubulina Figura 2.48 Membrana celular o plasmática Microtúbulo Retículo endoplásmico Mitocondria Ribosomas P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Los microtúbulos participan en funciones de sostén al formar parte del citoesqueleto y de la locomoción, pues constituyen a los cilios y a los flagelos. También participan en la división celular por conformar a los centríolos. Tanto los cilios como 0 G IA? Microfilamentos y filamentos intermedios Esquema tridimensional de un corte de célula. Observa los microtúbulos y microfilamentos del citoesqueleto que da forma a la célula. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: Microtúbulo. Organización de las esferas de tubulina. B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 97 Biología general Figura 2.50 los flagelos son extensiones de la membrana; cada uno contiene un anillo de nueve pares de microtúbulos arreglados alrededor de un par central (9 + 2) (fig. 2.50). El citoesqueleto, formado por microtúbulos y microfibrillas, da forma y sostén a la célula. Los microtúbulos, además, participan en el movimiento y en la división celular. Centríolos a) b) Organización de los microtúbulos. a) Estructura de un cilio (9 + 2), b) estructura de un centríolo (9 + 0). Los centríolos están presentes en casi todas las células animales, en las algas y en los hongos, pero no en las angiospermas (plantas con flor). Son estructuras cilíndricas que, por lo general, se localizan en pares en una región del citoplasma cercana al núcleo. Los centríolos son filamentos formados por nueve tripletes de microtúbulos, que forman las fibras del huso mitótico o acromático. Sin embargo, a pesar de que en las células vegetales no hay centríolos, sí se forma el huso mitótico. Los centríolos también participan en la movilidad, pues forman a los cuerpos basales que dan origen a los cilios y flagelos. Los centríolos son filamentos formados por nueve tripletes de microtúbulos, se les atribuye la función de organización de las fibras del huso acromático y forman los cuerpos basales. Están ausentes en las células de las angiospermas (plantas con flor). Retículo endoplásmico Figura 2.51 Dentro de las células se puede observar un sistema complejo de membranas conocido como retículo endoplásmico, el término se refiere a que forma una red. Este sistema ocupa buena parte del citoplasma, siendo mayor en las células que son muy activas en la síntesis de proteínas, como las del páncreas (fig. 2.51). 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La membrana del retículo endoplásmico presenta una bicapa de fosfolípidos semejante a la membrana plasmática. El retículo endoplásmico es una estructura muy dinámica que siempre está cambiando de forma. Los estudios con microscopio electrónico han revelado que el retículo endoplásmico es una sola membrana que se pliega, formando una bolsa con muchos divertículos. Al espacio que queda en su interior se le denomina lumen del retículo endoplásmico, y se considera que equivale a 10% del volumen total del citoplasma. Mitocondria Retículo endoplásmico rugoso 0 G IA? P Aparato de Golgi Retículo endoplásmico. Se muestra la localización del retículo endoplásmico y su estructura en forma de red que surge de la membrana plasmática. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G98 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Existen dos tipos de retículo endoplásmico el liso y el rugoso o granular. El retículo endoplásmico liso se presenta como una red que comunica la membrana citoplasmática con la membrana nuclear. Su estructura aumenta la superficie disponible para la actividad enzimática, en especial la síntesis de proteínas y su sistema de canales transporta sustancias del núcleo a la membrana plasmática y viceversa. Los materiales de secreción de la célula se transportan a través I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos del citoplasma por medio del retículo endoplásmico. El retículo endoplásmico rugoso tiene esta apariencia debido a la presencia de los ribosomas, organelos muy pequeños que se encuentran flotando en el citoplasma o se pegan al retículo endoplásmico. Figura 2.52 Vesícula El retículo endoplásmico es una red que comunica a la membrana plasmática con el núcleo. Funciona como un sistema de canales para transportar sustancias de secreción, participa en la síntesis de proteínas. Se reconocen dos tipos: el liso y el rugoso o granular, este último tiene ribosomas asociados. Los ribosomas son componentes de todas las células, incluyendo a las procariontes. Bajo el microscopio electrónico los ribosomas se observan como gránulos densos. Contienen ARN y proteínas y pueden estar libres en el citoplasma, formando cadenas (polisomas) o asociados con el retículo endoplásmico rugoso (fig. 2.51). Su función es la síntesis de proteínas, pues en estas estructuras se realiza el ensamblaje de aminoácidos. Cisternas Vesícula Aparato de Golgi. Esquema del aparato de Golgi que muestra las vesículas y cisternas de almacén. Figura 2.53 Exterior de la célula Proteínas liberadas Membrana plasmática Todas las células contienen ribosomas, que son estructuras pequeñas que realizan la síntesis de proteínas. Vesícula secretora 0 G IA? 3I9EACC Aparato de Golgi El aparato de Golgi, considerado una continuación del sistema de membranas del retículo endoplásmico liso, almacena proteínas y materiales de secreción de la célula. Está constituido por varias vesículas circulares aplanadas y por vesículas esféricas (fig. 2.52). Por lo general, se ubica al lado del núcleo, aunque en algunas células puede presentarse disperso en el citoplasma. El aparato de Golgi es una continuación del retículo endoplásmico. Está formado por un sistema de vesículas y cisternas donde se almacenan y compactan las sustancias para producir gránulos de secreción. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Vesículas con proteínas Productos de secreción Retículo endoplásmico rugoso Cuando la célula produce una sustancia de secreción, como la insulina, la transporta por el retículo endoplásmico hasta el aparato de Golgi, donde se compacta y almacena en forma de gránulos de secreción que se liberan al exterior de la célula (hacia el torrente sanguíneo) por medio de la exocitosis (fig. 2.53). El aparato de Golgi recibe enzimas digestivas, sintetizadas en el retículo que reciben el nombre de lisosomas. P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Aparato de Golgi Ribosomas Membrana nuclear Funcionamiento del aparato de Golgi. Almacena y secreta sustancias producidas en el retículo endoplásmico. FLASH El aparato de Golgi se presenta en casi todas las células, excepto en los espermatozoides maduros y en los glóbulos rojos. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 99 Biología general Figura 2.54 Entrada de alimentos Excreción de desechos Lisosomas y peroxisomas Los lisosomas son organelos, en general esféricos, rodeados por una membrana. Contienen enzimas hidrolíticas o digestivas que digieren las partículas alimenticias que entran a la célula (fig. 2.54) y además degradan los organelos “viejos”. Cuando una partícula alimenticia entra a la célula por medio de la endocitosis se forma una vacuola que, posteriormente, se funde con un lisosoma para constituir una vacuola digestiva. Las enzimas hidrolíticas del lisosoma actúan en la digestión de las sustancias. Los lisosomas son organelos esféricos que almacenan enzimas hidrolíticas, por lo que participan en la degradación de partículas alimenticias y de organelos viejos. Alimento ingerido Lisosomas Vacuolas de almacenamiento Enzimas hidrolíticas FLASH Lisosomas. Esquema que muestra la secreción de enzimas hidrolíticas para la degradación de las partículas alimenticias. Las colas de los renacuajos desaparecen durante la metamorfosis, debido a la acción digestiva de los lisosomas. Los peroxisomas son organelos casi esféricos, más pequeños que los lisosomas. Están formados por una membrana que rodea a una matriz granular, contienen enzimas oxidativas, principalmente catalasa, y su función es descomponer el peróxido de hidrógeno en sus componentes, agua y oxígeno (fig. 2.55). Los peroxisomas son estructuras especializadas en procesos oxidativos y se encuentran en algunas células como las del hígado. Figura 2.55 I= =IM= Peroxisoma 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Los peroxisomas son pequeños organelos que contienen catalasa y otras enzimas. Participan en procesos oxidativos. 0 G IA? P Vacuolas Citoplasma Peroxisomas. Los peroxisomas se observan como cuerpos esféricos en el citoplasma. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G100 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Las vacuolas se presentan en mayor tamaño y proporción en las células vegetales (fig. 2.56). No son propiamente organelos, más bien representan huecos o burbujas donde se almacenan sustancias, como los aceites esenciales y el almidón. Pueden llegar a ocupar hasta 90% del espacio interior de una célula vegetal. En las células animales las vacuolas se forman principalmente durante los procesos de endocitosis y exocitosis. En los protozoarios hay vacuolas especializadas llamadas vacuolas contráctiles, que bombean el exceso de agua hacia el exterior de la célula (fig. 2.56b). I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Las vacuolas son “burbujas o huecos” que se forman en el citoplasma y sirven como almacén de sustancias. En algunos casos, como en las contráctiles, regulan la cantidad de agua en la célula. Figura 2.56 Cloroplasto a Vacuola Mitocondrias Las mitocondrias son organelos de forma ovoide más o menos del tamaño de una bacteria. Se encuentran en la mayor parte de las células eucariontes, tanto en animales como en vegetales. Presentan una doble membrana (interna y externa), ribosomas y ADN. La membrana interna está muy plegada y forma crestas que entran en una matriz fluida; el plegamiento de esta membrana permite aumentar la superficie donde se realizan las reacciones químicas. En las crestas se encuentran los sitios donde ocurre la respiración celular (fig. 2.57), que es el proceso mediante el cual se produce energía en forma de ATP a partir de las sustancias nutritivas y el oxígeno, en enlaces energéticos de ATP necesarios para realizar las diversas funciones celulares. Pared celular Las mitocondrias son organelos altamente especializados y autónomos, pues contienen ribosomas y son capaces de producir sus propias proteínas; presentan ADN circular y se autoduplican, aunque esta replicación no está sincronizada con la de la célula. Sin embargo, este ADN sí determina sus características. Cilios Vacuola alimenticia 0 G IA? Macronúcleo Micronúcleo Vacuola alimenticia en formación Esófago Paramecio Las mitocondrias son organelos por lo general ovoides con una doble membrana, contienen ADN y ribosomas. Su función es la respiración celular para producir energía que se almacena en forma de ATP. Poro anal Vacuolas. a) Esquema de una célula vegetal con una gran vacuola, b) esquema de un Paramecio, observa la vacuola contráctil que le permite expulsar agua hacia el exterior. FLASH Cloroplastos Los cloroplastos son organelos que sólo se presentan en los organismos que realizan fotosíntesis: plantas y algas. En su interior contienen un pigmento, la clorofila, que confiere el color verde a las plantas. 3I9EACC b Vacuola contráctil P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= El número de mitocondrias varía dependiendo de la actividad de la célula. En promedio hay dos mil mitocondrias por célula, aunque algunas, como los glóbulos rojos maduros, carecen de ellas. Las células que desarrollan trabajos intensos y requieren mucha energía, como las hepáticas y las musculares, tienen una mayor cantidad. En cambio, el número de mitocondrias es menor en las células que requieren poca energía, como las epiteliales o los adipocitos (células que almacenan grasa). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 La presencia de ADN y la capacidad de autoduplicación de las mitocondrias y los cloroplastos llevó a la formulación de la teoría endosimbiótica. Según esta teoría, tales organelos originalmente eran bacterias de vida libre que penetraron a las células y establecieron una relación simbiótica. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 101 Biología general Figura 2.57 a b Membrana interna Membrana externa Compartimento externo Membrana interna Cresta Matriz de compartimento interno Compartimento externo Compartimento interno Membrana externa Mitocondrias. a) Esquema de una mitocondria, en la cual se observa la doble membrana, las crestas y la matriz, b) ampliación de una porción de una cresta mitocondrial. Los cloroplastos tienen un tamaño de 4 a 10 micras, y presentan una doble membrana que los rodea. En su interior contienen una matriz gelatinosa, conocida como estroma, donde se encuentran estructuras discoidales aplanadas, los tilacoides, que se apilan y forman los grana (fig. 2.58). Figura 2.58 Membrana externa ADN circular Membrana interna Membrana del tilacoide Estroma Grana (apilamiento de tilacoides) Gránulo de almidón Espacio intermembrana Igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen ADN y ribosomas en su interior. Su ADN contiene parte de la información requerida para la síntesis de los cloroplastos, por lo que se les considera parcialmente autónomos. Cloroplasto. Esquema de un cloroplasto con sus partes. Los cloroplastos son organelos que se presentan en células vegetales. Tienen doble membrana y contienen clorofila y otras sustancias necesarias para realizar el proceso fotosintético. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Tilacoide Ribosomas La cantidad de cloroplastos por células varía dependiendo de la función del tejido vegetal. Estos organelos representan el sitio donde se realiza la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas verdes utilizan la energía proveniente de la luz y la convierten en energía química para realizar sus demás funciones. Otros plastidios Se conocen como plastidios o plastos ciertos organelos que se presentan en los vegetales. En general, son “bolsitas” rodeadas por una doble membrana que contiene diferentes clases de sustancias. Los plastidios se clasifican según su color: los leucoplastos 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G102 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos son incoloros y los cromoplastos contienen algún tipo de pigmento (fig. 2.59), en el caso de poseer clorofila se les denomina cloroplastos. Figura 2.59 a Los leucoplastos se presentan, por lo general, en células a las que no les llega directamente la luz. Ejemplos de leucoplastos son: los amiloplastos, que realizan la síntesis de gránulos de almidón; los eleoplastos, que se relacionan con la formación de aceites o grasas; y los proteinoplastos, que contienen cristales de proteínas. Los cromoplastos presentan formas diversas y su función es dar color a estructuras como las flores, raíces y frutos. Su color varía desde amarillo hasta rojo amarillento. Estos colores son proporcionados por las xantofilas y los carotenos. Los plastidios son organelos exclusivos de las células vegetales. Hay dos tipos: los incoloros o leucoplastos (amiloplastos, eleoplastos y proteinoplastos) y los de color o cromoplastos (cloroplastos). b Cilios y flagelos Los cilios y flagelos son apéndices motores presentes en algunas células (fig. 2.60). Las células ciliadas contienen numerosos cilios, los cuales son cortos, de 3 a 10 micras de longitud, y miden cerca de 0. 5 micras de diámetro. Los cilios son utilizados para la locomoción, pero también su movimiento provoca una corriente que ayuda a acarrear partículas hacia la superficie celular. Por su parte, las células con flagelos presentan 1 o 2 de ellos, éstos son más largos que los cilios y llegan a medir hasta 200 micras. Los flagelos sirven para impulsar a la célula, como ocurre en los espermatozoides. Tanto los cilios como los flagelos están formados por microtúbulos rodeados por una membrana, los microtúbulos se organizan en 9 + 2, es decir, dos microtúbulos centrales rodeados por nueve pares. Esta organización difiere de la que presentan los cuerpos basales y los centríolos, debido a que carecen de microtúbulos centrales, por lo que se organizan en 9 + 0. Plastidios. a) Leucoplastos, b) cromoplastos. I= =IM= Los cilios y flagelos son apéndices locomotores de algunas células. Están formados por microtúbulos. a b 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Figura 2.60 Cilios y flagelos. a) Bacteria con cilios, b) tripanosoma con flagelos. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 103 Biología general En el cuadro 2.20 encontrarás un resumen de los componentes y organelos citoplasmáticos. Constitución Función Citoesqueleto Formado por microfibrillas y microtúbulos dispersos en el citoplasma. Dar forma y sostén a la célula. Centríolos Filamentos formados por 9 tripletes de microtúbulos a su alrededor; constituyen los cilios y flagelos. Organización de fibras del huso mitótico. Origen de los cuerpos basales. Retículo endoplásmico Red membranosa que comunica a la membrana plasmática con el núcleo. Dos tipos: liso y granular, este último tiene asociados ribosomas. Constituye una red de canales para el transporte de sustancias. El retículo granular participa en la síntesis de proteínas. Ribosomas Gránulos densos formados de ARN y proteínas. Participan en la síntesis de proteínas, pues son el sitio donde se ensamblan los aminoácidos para formar proteínas. Aparato de Golgi Continuación del retículo endoplásmico. Se distinguen vesículas y cisternas membranosas. Se almacenan y compactan sustancias para producir gránulos de secreción. Lisosomas Organelos esféricos que contienen enzimas hidrolíticas. Efectúan la degradación o digestión de partículas alimenticias y de organelos viejos. Peroxisomas Organelos casi esféricos muy pequeños que contienen enzimas, principalmente catalasas. Participan en procesos oxidativos como la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Vacuolas Son burbujas o huecos en el citoplasma, dentro de las que se encuentran diversas sustancias. En plantas almacenan sustancias como aceites esenciales y almidón. En protozoarios, las vacuolas contráctiles bombean el exceso de agua. Mitocondrias 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Organelos ovoides con doble membrana. La membrana interna se pliega para formar crestas. Contienen ADN, ribosomas y sustancias requeridas para la cadena respiratoria. Son los sitios donde se realiza la respiración celular y, por tanto, donde se produce la energía (ATP) para las funciones celulares. Cloroplastos Organelos exclusivos de las células vegetales, con doble membrana; contienen clorofila. Son el sitio donde se realiza la fotosíntesis. Otros plastidios Organelos exclusivos de las células vegetales, de doble membrana que contienen sustancias diversas. Dos tipos: a) Leucoplastos (sin color) como los amiloplastos, eleoplastos y proteinoplastos, b) cromoplastos (con color). Los amiloplastos sintetizan almidón; los eleoplastos almacenan aceites; los proteinoplastos contienen cristales de proteínas; los cromoplastos dan coloración a diversos órganos. 0 G IA? I= =IM= Organelo o estructura presentes en el citoplasma P Cuadro 2.20 Constitución y función de los componentes y organelos citoplasmáticos 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G104 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 2.5 TRANSPORTE CELULAR Para que la célula pueda realizar de manera eficiente todas sus funciones metabólicas es necesario que entren ciertas sustancias al citoplasma y salgan otras. Esto se logra mediante el proceso de transporte celular. A pesar del constante movimiento de moléculas hacia dentro y hacia fuera de la célula, todos los sistemas biológicos tienden a mantener un equilibrio entre su estructura interna y el medio que los rodea. La tendencia de los organismos a mantener su estabilidad interna en equilibrio con su ambiente se llama homeostasis. A nivel celular, la homeostasis está regulada por la entrada y salida de sustancias a través de la célula. El paso de dichas sustancias está controlado por la membrana plasmática, de manera que algunas pasan libremente por la membrana, otras con dificultad y otras no pueden pasar. Esta característica de la membrana plasmática se llama semipermeabilidad o permeabilidad selectiva. La entrada o salida de sustancias por la membrana plasmática está determinada por los siguientes factores: r Tamaño de la partícula. Por lo general, las partículas grandes no pueden pasar. r Disolución de la partícula. Resulta más fácil que la partícula atraviese la membrana si se encuentra disuelta en agua o en lípidos. r Concentración de las partículas. El movimiento se facilita en el sentido de mayor a menor concentración. r Polaridad. Las partículas se atraen por diferencia de cargas eléctricas. Cuando las sustancias pasan con facilidad por la membrana plasmática, ocurre el proceso llamado transporte pasivo; pero si requieren “ayuda” o gasto de energía (ATP) para atravesarla, el proceso se conoce como transporte activo. Además de estos dos tipos de transporte se presentan otros fenómenos que permiten la entrada y salida de sustancias de la célula. Estos procesos implican la deformación de la membrana plasmática y reciben el nombre de endocitosis y exocitosis. En el cuadro 2.21 puedes revisar los distintos procesos que realiza la célula para introducir y eliminar sustancias. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La homeostasis es la tendencia de los seres vivos de mantener su medio interno en equilibrio con su ambiente externo. A nivel celular, esto se logra mediante el transporte celular, que puede ser pasivo (no requiere energía) o activo (requiere energía). Cuadro 2.21 Formas de transporte celular Transporte pasivo Difusión (no requiere energía) Ósmosis Transporte activo (requiere energía) Con deformación de la membrana Simple facilitada Bomba de iones Fagocitosis Endocitosis Pinocitosis Exocitosis 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 105 Biología general TRANSPORTE PASIVO Durante el transporte pasivo las sustancias pasan de un lado a otro de la membrana movidos por un gradiente de concentración, es decir, por diferencias en la concentración de la sustancia. Este movimiento no implica un gasto de energía para la célula. Existen tres tipos de transporte pasivo: difusión simple, difusión facilitada y ósmosis. En el transporte pasivo las partículas pasan libremente por la membrana plasmática y, por tanto, no hay gasto de energía o ATP por parte de la célula. Difusión simple Aunque es difícil percibirlo, las moléculas de la materia siempre están en movimiento. En los gases y líquidos el movimiento molecular es libre, las moléculas se mueven en todas direcciones, chocan entre sí, cambian de dirección y siguen moviéndose. Las moléculas de los sólidos también presentan movimiento, pero éste es tan reducido, que sólo logran vibrar mas no desplazarse. Cuando las moléculas u otras partículas se desplazan de un área donde hay muchas moléculas a otra donde hay menos se presenta el fenómeno de difusión, la cual es un movimiento. Tomemos por ejemplo una botella de perfume que abrimos en una habitación. Las moléculas que dan el olor al perfume tenderán a moverse desde la botella (mayor concentración) hasta los rincones más apartados de la habitación (menor concentración). Algo similar ocurre si colocamos una cucharada de polvo de color en un vaso con agua. La difusión de las partículas del pigmento hará que en poco tiempo toda el agua tenga color (fig. 2.61). En la célula, las moléculas como el oxígeno y el bióxido de carbono pasan por la membrana plasmática, desde un área de mayor a otra de menor concentración por el proceso de difusión simple. En la difusión facilitada las moléculas también se mueven desde un área de mayor a otra de menor concentración, pero en este proceso participan algunas proteínas que funcionan como acarreadores de membrana, facilitando el paso de sustancias a través de la misma. Los acarreadores de membrana son proteínas que modifican Figura 2.61 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Difusión facilitada Agua sin colorear Agua coloreada Difusión simple. Las partículas del pigmento darán coloración a toda el agua contenida en el vaso. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G106 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Figura 2.62 Medio extracelular Membrana plasmática Sustancia Molécula acarreadora Medio intracelular Figura 2.63 Difusión facilitada. Las moléculas acarreadoras de la membrana modifican su estructura para alojar a una sustancia y transportarla al interior de la célula. a su estructura para alojar a una molécula y transportarla hacia fuera o hacia dentro de la célula a través de la membrana plasmática (fig. 2.62). Ciertas sustancias, como la glucosa y los aminoácidos, se mueven a través de la membrana, por lo general por difusión facilitada. En la figura 2.63 puedes apreciar algunas diferencias entre la difusión simple y la difusión facilitada. Ósmosis Para facilitar la comprensión del fenómeno de ósmosis, analiza el siguiente ejemplo. Si colocas una solución a 5% de azúcar (5% de azúcar, 95% de agua) en una bolsa de material permeable, como el celofán (fig. 2.64), la sujetas a un tubo de vidrio y la sumerges en un vaso con agua, se observará que entra agua a la bolsa y sube por el tubo. Esto se debe a que hay mayor concentración de agua en el exterior de la bolsa (100%), que en el interior (95%). El azúcar no puede salir de la bolsa de celofán. Membrana Molécula acarreadora b 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Como podemos observar en el ejemplo, el agua pasa por la membrana permeable debido a la diferencia en concentración. Existe, además, otro factor que determina el paso del agua; éste es la presión osmótica, la cual es directamente proporcional a la concentración de la solución: mientras más solutos haya (sólidos en suspensión) mayor será la presión osmótica. Figura 2.64 Tubo de vidrio Membrana Liga Bolsa de celofán con solución de azúcar 5% Agua Ósmosis. La diferencia en la concentración del agua fuera y dentro de la membrana permeable (celofán) y la presión osmótica hacen que el agua atraviese la bolsa y suba por el tubo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: Comparación entre difusión simple y difusión facilitada. Durante la difusión simple a) el movimiento molecular se presenta de una región de mayor concentración a otra de menor concentración. En la difusión facilitada b) el movimiento molecular también ocurre en dirección al gradiente de concentración, pero participan moléculas acarreadoras que facilitan el proceso. B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 107 Biología general Figura 2.65 Planta turgente. El agua en las células vegetales mantiene a las plantas erguidas. En los seres vivos, el agua y otros líquidos pasan a través de la membrana plasmática por ósmosis. Sin embargo, ni las células animales ni las vegetales pueden dejar entrar o salir demasiada agua. Al estado en el que una célula llega a su capacidad máxima de agua, se le conoce como estado de turgencia. Las células vegetales toleran mejor el exceso de agua en su interior que las animales debido a la resistencia y elasticidad que tiene la pared celular de las plantas. La cantidad de agua en las células vegetales es lo que hace que se mantengan erguidas o turgentes (fig. 2.65). La pérdida excesiva de agua en estas células hace que se tornen flácidas y se marchiten. Las células animales son más sensibles a la cantidad de agua presente en su interior. Tomemos, por ejemplo, los glóbulos rojos de la sangre. Si los colocamos en una solución hipotónica en la que hay más agua y menor concentración de solutos que en el interior de la célula, entrará tanta agua a la célula que ésta se hinchará y se romperá. Por el contrario, si colocamos los glóbulos rojos en una solución hipertónica (en la cual hay menos agua y más solutos que en el interior de la célula) saldrá tanta agua del glóbulo, que éste se encogerá o colapsará, es decir, se realizará el proceso de plasmólisis y la célula muere. Para que la célula no se reviente o se encoja deberá estar en una solución isotónica, con igual concentración de agua y de solutos que en el interior de la célula (fig. 2.66). Un ejemplo de solución isotónica es una solución salina a 1% (cuadro 2.22). Figura 2.66 a b c Hipertónica Isotónica H 2O H 2O H2O Hipotónica H 2O Recuerda que uno de los principios generales de la Biología es la homeostasis o tendencia de las células a igualar su concentración interna con la del medio. Cuando se alcanza este punto de equilibrio cesa la ósmosis y la difusión. Cuadro 2.22 Tipos de soluciones y su efecto en la célula Tipo de solución Concentración afuera de la célula respecto al interior Respuesta de la célula a la solución Hipotónica Más agua y menos soluto. Turgencia, puede llegar a romperse. Hipertónica Menos agua y más soluto. Colapso o plasmólisis. Isotónica Igual concentración de agua y de solutos. Estado normal. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Ósmosis. Glóbulos rojos en diferente concentración de solución salina. a) Sale agua de la célula, por lo que se encoge o colapsa, b) la concentración es igual tanto dentro como fuera, por lo que la célula mantiene su forma normal, c) para igualar la concentración entra agua a la célula y ésta se hincha. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G108 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos El transporte pasivo ocurre por difusión simple de un área de mayor a otra de menor concentración. Por difusión facilitada con la participación de proteínas acarreadoras y por ósmosis o paso del agua a través de una membrana semipermeable. TRANSPORTE ACTIVO En el transporte activo, el movimiento hacia fuera y dentro de la célula ocurre en contra del gradiente de concentración, esto es, de una región de menor a otra de mayor concentración. Esto implica un gasto energético y la participación de moléculas acarreadoras de membrana que funcionan de la misma manera que en la difusión facilitada. Un ejemplo de transporte activo lo constituyen las bombas de iones que impulsan o fuerzan a las partículas a pasar a través de la membrana plasmática. Entre las bombas más comunes se encuentran las de intercambio de iones sodio (Na+) y potasio (K+), las de calcio (Ca2+) y las de iones hidrógeno (H+). Las bombas de Na-K son tan importantes que las células animales utilizan desde 1/3 hasta 2/3 partes de su energía total para mantenerlas funcionando. Actúan cuando el Na+ intracelular es atrapado por una molécula acarreadora de la membrana plasmática (fig. 2.67). El ATP celular proporciona la energía suficiente para que la molécula acarreadora transporte el Na+ hasta el exterior de la célula, donde lo libera. Del exterior, la misma molécula toma un ion K+ que transporta y libera en el interior de la célula. Así, la molécula acarreadora queda preparada para recibir al próximo ion Na+. El sistema de bombeo Na-K se observa tanto en células animales como vegetales. Cuando los animales deben conservar agua en el cuerpo algunas células del riñón bombean iones Na+ hacia el exterior, creando un medio hipertónico. Junto con este cambio iónico también sale agua de las células que será enviada a todo el cuerpo, logrando así un ahorro del agua corporal. En los vegetales, el transporte activo ocurre en las células de la punta de las raíces. Debido a este mecanismo entra más agua por esta parte de la planta que por otras. Figura 2.67 Medio extracelular 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Las bombas de Ca2+ participan en las células nerviosas y musculares en la transmisión de impulsos nerviosos y en las contracciones musculares, respectivamente. En las plantas, las bombas de Ca2+ facilitan el crecimiento de la raíz en dirección al FLASH Las células nerviosas o neuronas utilizan las dos terceras partes de su energía para enviar y recibir los impulsos nerviosos. P (a) 0 G IA? Pi ATP Sodio Potasio (b) Pi ATP (c) (d) (e) Medio intracelular Mecanismo de la bomba sodio-potasio. a) El sodio llega a la membrana plasmática. b) El ATP libera energía que utiliza la molécula acarreadora para atrapar el sodio. c) La molécula acarreadora transporta el sodio al exterior de la célula y atrapa potasio. d) Transporte del potasio al interior de la célula. e) La célula acarreadora libera el potasio y se prepara para recibir al próximo sodio. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 109 Biología general interior del suelo. Las bombas de protones (H+) juegan un papel muy importante en la energética celular, creando gradientes quimiosmóticos que serán utilizados para generar ATP. Durante el transporte activo se requiere energía en forma de ATP y moléculas acarreadoras para que las sustancias atraviesen la membrana plasmática. Las bombas de iones son ejemplo del transporte activo. ENDOCITOSIS Y EXOCITOSIS Además del transporte pasivo y activo existen otros procesos: la endocitosis y la exocitosis, las cuales permiten la entrada y salida, respectivamente, de sustancias de la célula. Ambos fenómenos implican una deformación de la membrana plasmática. Estos procesos fueron observados por primera vez en amibas y, posteriormente, en los glóbulos blancos de algunos animales. La endocitosis se inicia con una depresión o invaginación de la membrana plasmática. Dicha depresión se incrementa hasta formar una bolsa o vacuola dentro de la célula (fig. 2.68). Figura 2.68 Medio extracelular Partícula líquida Membrana plasmática Partícula sólida (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) Endocitosis. La membrana plasmática sufre una invaginación progresiva (a, b, c y d) hasta formar una vacuola dentro de la célula. Si se incorpora material sólido al interior de la célula el proceso se llama fagocitosis, y si penetra agua o sustancias líquidas se denomina pinocitosis. Figura 2.69 Membrana plasmática Medio extracelular Vacuola 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Medio intracelular Endocitosis Vacuola Exocitosis Medio intracelular Endocitosis y exocitosis. En el primer caso se forma una vacuola para que entren sólidos o líquidos a la célula y, en el segundo, una vacuola se fusiona con la membrana plasmática para expulsar sustancias de la célula. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G110 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Si en la vacuola quedan atrapadas partículas sólidas, como bacterias o fragmentos celulares, el proceso recibe el nombre de fagocitosis; pero si dentro de la vacuola queda agua o sustancias líquidas, el fenómeno se llama pinocitosis. Cabe mencionar que la fagocitosis, además de ser un proceso de nutrición, como en el caso de las amibas, también es un mecanismo de defensa que se presenta, por ejemplo, en los glóbulos blancos cuando fagocitan sustancias o partículas extrañas que les pueden ser nocivas. Una vez que ocurre la endocitosis, la partícula que queda dentro de la vacuola es desdoblada por la acción de enzimas producidas por ésta; finalmente, el material digerido se incorpora al citoplasma. Los residuos que no se digieren, esto es, los productos de desecho de la célula, son expulsados al exterior por el proceso de exocitosis. Durante la exocitosis ocurre una fusión entre la vacuola de la célula que contiene el material de desecho y la membrana plasmática (fig. 2.69). Posteriormente, se abre la membrana plasmática y el contenido es expulsado hacia el exterior de la célula. La endocitosis es el mecanismo de entrada por el cual la célula incorpora las partículas y sustancias que requiere. La exocitosis es el mecanismo de expulsión de sustancias de desecho. Ambos procesos implican la deformación de la membrana plasmática. La célula 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. En la Biología celular convergen diversas ramas de la Biología, entre ellas la Citología, que estudia la estructura y función de la célula. 2. Varios investigadores han contribuido al conocimiento de la célula. En 1665, Robert Hooke introdujo el término de célula. En 1675, Leeuwenhoek observó por primera vez una gran variedad de microbios. Durante el siglo xix, se dieron grandes descubrimientos respecto a la célula. Al inicio de ese siglo, Dutrochet propuso que los tejidos estaban formados por células, y Robert Brown descubrió el núcleo. Purkinje, en 1839, utilizó el término protoplasma. Entre 1838 y 1839, Schleiden y Schwann formularon la teoría celular. En 1855, Virchow estableció que las células provienen de otras preexistentes; mientras que Boveri describió el centríolo. A finales del siglo xix, Altmann descubrió las mitocondrias y Camilo Golgi el aparato que lleva su nombre. 3. Los postulados de la teoría celular son: a) Todos los seres vivos están formados por una o más células. b) En las células se realizan todas las funciones metabólicas. c) Las células nuevas se forman por división de las preexistentes. 4. La célula es la unidad anatómica, funcional y de origen de los seres vivos. Las células, dependiendo de su función, tienen diferente tamaño y forma. Los organismos unicelulares están formados por una sola célula y los pluricelulares tienen muchas. 5. Las células procariontes carecen de núcleo definido, constituyen organismos unicelulares, no poseen organelos rodeados por membranas, la reproducción se lleva a cabo por fisión binaria, gemación u otras y, cuando tienen flagelos, son simples. El ADN se encuentra en un cromosoma único. 6. Las células eucariontes poseen un núcleo con membrana, son más complejas y más grandes que los procariontes. Presentan organelos, como los 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 111 Biología general cloroplastos y las mitocondrias, rodeados de membranas; la reproducción está asociada con la mitosis y cuando presentan cilios o flagelos, éstos son complejos. El ADN se encuentra en una cantidad constante de cromosomas para cada especie. 7. Las células vegetales tienen pared celular y cloroplastos, las animales carecen de estas estructuras, pero presentan centríolos. La pared celular es una capa rígida externa a la membrana plasmática, formada principalmente por celulosa. Sus funciones son: proporcionar rigidez y forma a las células, facilitar el transporte de agua y sales minerales y dar sostén a tejidos y órganos. 8. Todas las células poseen la membrana plasmática formada por fosfolípidos, proteínas y carbohidratos. Es la cubierta externa que da a la célula protección y forma, permite mantener su integridad e individualidad y regula el transporte de sustancias. 9. El núcleo es el rector de las funciones celulares, presenta una envoltura nuclear y contiene a los cromosomas (o a la cromatina) y al nucléolo. Controla la herencia y dirige la división celular. 10. El citoplasma es la región de la célula localizada entre el núcleo y la membrana. Está formado por un coloide, el citosol, y es el sitio donde se efectúan la mayor parte de las reacciones metabólicas. En las células eucariontes el citoplasma presenta un sistema membranoso que forma compartimentos organizados en diferentes organelos y estructuras celulares. 11. Los microtúbulos, pequeños tubos constituidos por tubulina, forman parte de los cilios, flagelos y centríolos, que participan en la locomoción, el movimiento celular y la división celular, respectivamente. Los centríolos son filamentos formados por nueve tripletes de microtúbulos organizados en 9 + 0; se les atribuye la función de organización de las fibras del huso acromático y forman los cuerpos basales. Están ausentes en las células de las plantas con flor. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 12. Los cilios y flagelos son estructuras que proporcionan movilidad a las células. Están constituidos por microtúbulos organizados en 9 + 2, es decir, nueve pares alrededor de dos microtúbulos centrales, rodeados por una membrana. 13. El retículo endoplásmico es una red que comunica a la membrana plasmática con el núcleo. Funciona como un sistema de canales para transportar sustancias de secreción y participa en la síntesis de proteínas. Se reconocen dos tipos: el liso y el granular; este último tiene ribosomas asociados. 14. Todas las células contienen ribosomas, que son estructuras pequeñas en las cuales se realiza la síntesis de proteínas. 15. El aparato de Golgi es una continuación del retículo endoplásmico; está formado por un sistema de vesículas y cisternas en las que se almacenan y compactan las sustancias para producir gránulos de secreción. 16. Los lisosomas son organelos esféricos que almacenan enzimas hidrolíticas y participan en la degradación de partículas alimenticias y de organelos viejos. Los peroxisomas son pequeños organelos que participan en procesos oxidativos, pues contienen catalasa y otras enzimas. 17. Las vacuolas son “burbujas” que se forman en el citoplasma y almacenan diversas sustancias. En algunos casos, como en las contráctiles, regulan la cantidad de agua dentro de la célula. 18. Las mitocondrias son organelos, ovoides, con una doble membrana; contienen ADN y ribosomas. Su función es la respiración celular, por medio de la cual se produce energía (ATP). 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G112 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 19. Los cloroplastos son organelos exclusivos de las células vegetales, tienen doble membrana, contienen clorofila y realizan la fotosíntesis. 20. La homeostasis es la tendencia de todos los seres vivos a mantener un equilibrio entre su estructura interna y el medio que los rodea. A nivel celular, la homeostasis se logra por el proceso de transporte celular que permite el paso de ciertas sustancias hacia fuera o hacia dentro de la célula, a través de la membrana plasmática. 21. El paso de una sustancia a través de la membrana plasmática se realiza por medio del transporte pasivo y del transporte activo. Durante el transporte pasivo no hay gasto energético. El transporte pasivo se presenta por difusión simple, difusión facilitada o por ósmosis e implica un gasto energético. 22. La concentración de agua y de solutos en el medio que rodea a las células determina su estado físico. En una solución hipotónica, la célula se hincha se vuelve turgente y puede llegar a reventarse; en una solución hipertónica la célula se colapsa y plasmoliza; en una solución isotónica conserva su forma normal. 23. El transporte activo se caracteriza por el movimiento de sustancias en contra del gradiente de concentración y por el gasto energético o de ATP de la célula. En este tipo de transporte también participan las moléculas acarreadoras de membrana. Las bombas de iones, como las de sodio-potasio, de calcio y de hidrógeno, son ejemplos de transporte activo. 24. La endocitosis y la exocitosis son procesos mediante los cuales se deforma la membrana plasmática para que entren o salgan partículas a la célula, respectivamente. Durante la endocitosis se presenta una invaginación de la membrana plasmática. Si ingresan partículas sólidas a la célula el fenómeno recibe el nombre de fagocitosis, pero si se incorporan sustancias líquidas el proceso se llama pinocitosis. Para que se lleve a cabo la exocitosis debe presentarse una fusión entre la vacuola celular y la membrana plasmática para expulsar partículas de desecho al medio. Los seres vivos poseen estructuras complejas y altamente organizadas que les confieren capacidad para obtener, almacenar y transformar energía. Para que las células y los organismos se mantengan vivos, necesitan nutrirse, es decir, ingerir o producir sustancias de las que puedan obtener energía. Algunos organismos son capaces de producir las sustancias nutritivas que requieren, mientras que otros necesitan obtenerlas de una fuente externa. METABOLISMO Todas las funciones vitales de las células son posibles gracias a las reacciones químicas que ocurren en su interior. Como resultado de estos procesos químicos, o metabolismo, la célula puede nutrirse, sintetizar proteínas y otros productos, así como almacenar y liberar energía y procesar y expulsar desechos. Existen dos tipos de reacciones metabólicas: anabolismo y catabolismo. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2.6 METABOLISMO 3I9EACC Las reacciones anabólicas, o de creación, requieren energía para llevarse a cabo. Por medio del anabolismo la célula produce nuevos materiales o almacena energía. Un ejemplo de reacción anabólica es la fotosíntesis, en la cual, a partir de sustancias sencillas, como bióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), se producen sustancias complejas, como la glucosa (C6H12O6). Por lo general, durante las reacciones anabólicas se elimina una molécula de agua cuando ocurre la unión entre las moléculas sencillas. A este tipo de formación de compuestos, se le llama síntesis por deshidratación (fig. 2.70). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 113 Biología general Figura 2.70 CH2OH H C H C OH OH CH2OH O H C C H OH H OH C H C OH H C C OH Formación de agua Monosacárido (glucosa) H CH2OH O H C H OH O C H C OH H C C OH OH H CH2OH H C H C O H C OH OH OH Monosacárido (galactosa) C O H C H + H2O OH C C H OH Disacárido (lactosa) Reacción anabólica. La formación de lactosa es una reacción de síntesis por deshidratación, a partir de la unión de dos moléculas simples (glucosa y galactosa) con la eliminación de agua. A diferencia de las reacciones anabólicas, durante las reacciones catabólicas se libera energía. Además, en este tipo de reacciones se desdoblan o degradan las sustancias complejas en otras más sencillas. Un ejemplo de catabolismo es la respiración celular, en la cual se obtienen, a partir de sustancias complejas como la glucosa, sustancias simples, como el CO2 y H2O. Por lo general, es necesaria la presencia de agua para degradar las sustancias complejas. Mediante este proceso, conocido como hidrólisis, las moléculas complejas, como el almidón, la celulosa, las proteínas y el ATP, se degradan en moléculas más simples (fig. 2.71). Figura 2.71 CH2OH OH C H C OH H C H CH2OH O H C H C O C H C OH OH OH O H C C H OH CH2OH H H H C OH OH C + H2O C O C OH H Disacárido (lactosa) H C CH2OH H C O H C OH H C H OH C OH OH H Monosacárido (glucosa) C H C OH OH Monosacárido (galactosa) En la figura 2.72 puedes ver la comparación esquemática entre las reacciones anabólicas y las catabólicas. Ambos tipos de reacciones ocurren simultáneamente en la célula, ya que al degradarse algunas moléculas complejas, sus componentes se utilizan en la construcción de nuevas moléculas (fig. 2.73). Figura 2.72 P Reacciones Anabolismo 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Reacción catabólica. La molécula de lactosa se degrada por hidrólisis, es decir, al agregarle agua, se obtienen dos moléculas simples, glucosa y galactosa. Catabolismo Anabólicas Fotosíntesis a Catabólicas Respiración celular Digestión b Metabolismo. a) Anabolismo o reacciones de construcción y catabolismo o reacciones de degradación. b) Ejemplos de ambos tipos de reacciones. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G114 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 Figura 2.73 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Catabolismo Moléculas complejas Moléculas simples Polisacáridos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Nucleótidos Energía (ATP) Catabolismo y anabolismo. Formación y desdoblamiento de moléculas orgánicas. En las reacciones catabólicas se libera energía, que se utiliza en las reacciones anabólicas. Anabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de la célula. Las reacciones anabólicas construyen moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. Las reacciones catabólicas degradan las moléculas complejas en otras más sencillas. RESPIRACIÓN CELULAR Una de las reacciones metabólicas catabólicas es la respiración celular, proceso que permite la transformación de la energía química, contenida en la glucosa, en energía metabólica, acumulada en los enlaces fosfato de la molécula de ATP. Existen dos tipos de respiración celular, la respiración aerobia, en la que se requiere oxígeno (O2), y la respiración anaerobia, en la que no se utiliza el oxígeno. El primer paso, en ambos tipos de respiración, es el desdoblamiento de la molécula de glucosa; proceso conocido como glucólisis (gluco: azúcar; lisis: rompimiento). RESPIRACIÓN AEROBIA La respiración aerobia la realizan la mayoría de los seres vivos y ocurre tanto en células animales como en vegetales. La ecuación general de este proceso se expresa como sigue: Ecuación general de la respiración aerobia 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La respiración celular es el proceso por el cual los seres vivos obtienen energía. Existen dos tipos, la aerobia y la anaerobia; ambos inician con la glucólisis. C6H12O6 glucosa + 6 O2 6CO2 + oxígeno bióxido de carbono 6H2O + agua 38 ATP energía La energía que se libera de la glucosa es –686 kcal/mol. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 115 Biología general Figura 2.74 6 HO H Glucosa 1a. reacción de transferencia 4 HO 1 a CH 2 5 O H H OH ATP H 1 H 2 3 OH OH ADP CH 2 P Glucosa - 6 - Fosfato H HO 2 O H H OH H H OH Glucólisis OH Es el proceso preliminar de la respiración celular, ocurre en el citoplasma y no requiere oxígeno (fig. 2.74). Consiste en el rompimiento de la molécula de glucosa en dos moléculas de tres carbonos. En la glucólisis participan varias enzimas y todo el proceso se lleva en 10 reacciones químicas que ocurren en dos etapas: la preparatoria y la de producción de ATP. Fructuosa - 6 - Fosfato 2a. reacción de transferencia O CH 2 O P 3 ATP El azúcar de 6 carbonos se divide en dos moléculas de 3 carbonos (fosfatos) CH 2 OH H H OH H H ADP OH Fructuosa 1, 6 - Difosfato O CH 2 O P 4 HO OH H CH 2 CH OH Gliceraldehído - 3 - Fosfato O P 5 P CH 2 O H H O C H OH Dihidroxicetona - 3 - Fosfato O P CH 2 O CH2OH O b O Gliceraldehído - 3 - Fosfato O CH 3 CH P C H OH 2P Oxidación y fosforilación 2NAD 6 2 NADH H O P 1, 3 - Difosfoglicerato O CH 3 CH C P O OH P 0 G IA? 7 2 ATP O P 3 - Fosfoglicerato O CH 2 CH C O– OH 8 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2ADP 1a. molécula ATP formada (nivel fosforilaciónsustrato) O CH 2 CH 2 - Fosfoglicerato OH 9 C O– O P 2H2O O CH 3 Fosfoenolpiruvato O C O– O 2a. molécula ATP formada (nivel fosforilaciónsustrato) 2ADP P 10 2 ATP O CH 3 PIRUVATO O O C 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G116 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Etapa preparatoria (reacciones 1 a 5, figura 2.74). La célula no puede utilizar moléculas tan grandes como la glucosa, por lo que requiere desdoblarla en moléculas más pequeñas. En las primeras reacciones la glucosa, molécula de seis carbonos (C-6), sufre dos reacciones de fosforilación, o adición de grupos fosfato. Después, se rompe en dos moléculas de tres carbonos (C-3). También en esta etapa se reducen, es decir, ganan electrones, dos moléculas de la coenzima NAD (nicotinamida adenina dinucleótido), produciendo NADPH + H+. Etapa de producción de ATP (reacciones 6 a 10, figura 2.74). De cada molécula difosforilada de tres carbonos (ácido 1, 3 difosfoglicérico), se transfiere un fosfato a un ADP, en la reacción conocida como fosforilación a nivel de sustrato. Puesto que son dos las moléculas difosforiladas, resultan dos ATP. En la reacción 10, se obtienen otros dos ATP, dando un total de cuatro, pero, como al inicio del proceso se emplean dos ATP, la ganancia energética neta es de dos moléculas de ATP. Al terminar la glucólisis se obtienen, por cada molécula de glucosa, dos moléculas de ácido pirúvico, dos NADPH + H+ y se forman dos ATP. El rendimiento energético de la glucólisis se calcula considerando que la hidrólisis de un ATP a ADP, genera un cambio de energía libre equivalente a 7.3 kcal/mol. Como al final del proceso se obtiene una ganancia neta de dos ATP, por tanto, corresponde una ganancia de energía libre de 14.6 kcal por cada mol de glucosa. Las moléculas de ácido pirúvico formadas durante la glucólisis, pueden seguir una de las dos vías de degradación, dependiendo del tipo de respiración de los organismos: r En los organismos aeróbicos (requieren oxígeno), continúa el ciclo de Krebs y, posteriormente, el transporte de electrones. r En los organismos anaeróbicos (no requieren oxígeno) continúan las reacciones de fermentación, que revisaremos más adelante. O– Glucólisis. Ocurre en 10 reacciones divididas en dos etapas. a) Etapa preparatoria (reacciones 1-5), se llevan a cabo dos fosforilaciones y se forman dos moléculas de tres carbonos. b) Etapa de producción de ATP (reacciones 6-10), se presentan dos fosforilaciones a nivel de sustrato y se producen cuatro moléculas de ATP. Productos finales de la glucólisis: dos ATP, dos NADPH + H + y dos ácidos pirúvicos. 3I9EACC Aunque expresado en tal ecuación parece un proceso simple, en realidad la respiración celular es un proceso complejo, ya que se llevan a cabo varias reacciones químicas, que ocurren en diversos sitios de la célula. La respiración celular se realiza en tres fases: glucólisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos La glucólisis es un proceso de 10 reacciones sucesivas que ocurren en el citoplasma de la célula. A partir de una molécula de glucosa (6 carbonos) se obtienen, al final del proceso, dos moléculas de ácido pirúvico (3 carbonos), dos moléculas de NADPH + H+ y una ganancia neta de dos ATP. Ciclo de Krebs Figura 2.75 Para algunos organismos los dos ATP generados durante la glucólisis representan una cantidad suficiente de energía para llevar a cabo todas sus funciones metabólicas. Sin embargo, la mayoría de los seres vivos requiere más energía, misma que se genera a través del ciclo de Krebs y del transporte de electrones, procesos que ocurren dentro de las mitocondrias de las células eucariontes o en el citoplasma de las células procariontes. Glucosa Glucólisis Ácido pirúvico El ciclo de Krebs, o del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos, consiste en reacciones consecutivas en las que el producto final, el ácido cítrico, reinicia el proceso. Este ciclo debe su nombre a Sir Hans Krebs (1900-1981), que en 1937 descubrió el proceso y por este hallazgo se hizo acreedor al premio Nobel. Durante el ciclo de Krebs, el ácido pirúvico (o piruvato) pasa a través de una serie de reacciones (fig. 2.75), en las que participan diferentes enzimas. Resumimos los principales eventos de este ciclo en tres pasos: 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. Formación del ácido cítrico. El ácido pirúvico (C-3) sufre una descarboxilación (eliminación de CO2), y forma un grupo acetil (C-2) que, al unirse a la coenzima A, forma un compuesto llamado acetil coenzima A (acetil CoA). La acetil CoA (C-2) cede su grupo acetil al ácido oxalacético (C-4), y se forma el ácido cítrico (C-6). 3I9EACC 2. Formación de CO2. Observa en la figura 2.75 como la molécula de ácido cítrico (C-6), se convierte en 1 de 5 carbonos y, posteriormente, en 1 de 4 carbonos, liberando CO2, en ambos pasos; estas reacciones reciben el nombre de descarboxilación y ocurren en todas las células que realizan respiración aerobia. O CH3 C CoA AcetilCoA COOH 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 COOH C O CH2 CH2 COOH H2O Ácido oxaloacético COOH H C OH CH2 NAD NADH + H HO C COOH CH2 COOH COOH Ácido cítrico CH2 COOH Ácido málico H 2O C COOH CH COOH Ácido cis-aconítico COOH H 2O COOH CH2 CH H C COOH CH NAD H C OH FADH2 COOH Ácido fumárico 3. Reducción del NAD y FAD. Durante el ciclo de Krebs se liberan átomos de hidrógeno que son aceptados por las coenzimas NAD+ y FAD (flavín adenina dinucleótido), formando NADPH + H+ y FADH2, respectivamente. Estas coenzimas reducidas activan la cadena de transporte de electrones. Si revisas el esquema del ciclo de Krebs (fig. 2.75), comprenderás la ecuación general a partir de la acetil CoA. Tanto los reactivos como los productos se han multiplicado por dos, ya que el proceso inicia con dos moléculas de ácido pirúvico. Coenzima A H + NADH FAD H+ ATP ADP NADH NADCOOH COOH CH2 CH 2 CH2 CH2 COOH Ácido succínico CO2 H 2O COOH Ácido isocítrico CO2 C O COOH Ácido alfa-cetoglutárico Ciclo de Krebs. Observa cómo el ácido pirúvico, que se produce en la glucólisis, ingresa a la matriz mitocondrial donde ocurre el ciclo de Krebs. En el proceso se reducen las enzimas NAD y FAD y se produce ATP y CO2. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 117 Biología general Ecuación general del ciclo de Krebs 2 Acetil CoA + 6NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2 Pi 6NADH+H+ + 2FADH2 + 2ATP + 4CO2 El ciclo de Krebs consiste en una serie de reacciones consecutivas. A partir del ácido pirúvico, de la glucólisis, se forma la acetil CoA y el ácido cítrico. Durante el proceso se produce ATP, CO2 y se reducen las coenzimas NAD y FAD, quedando como NADPH + H+ y FADH2, que se utilizan en la cadena de transporte de electrones. Figura 2.76 Espacio intermembranal H H H I Membrana mitocondrial interna H H H H II CoQ H H H H Cit c H H H H III H H H - H 2e - NADH NAD + H Matriz mitocondrial H 2e ATP sintetasa H H H H H H H H 2H + 1/2 O2 H2O H H ATP Pi + ADP Mitocondria. La cadena de transporte de electrones se ubica en la membrana interna de la mitocondria. Observa los complejos enzimáticos I, II y III, las moléculas transportadoras y el complejo donde se sintetiza el ATP. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cadena de transporte de electrones 3I9EACC La última fase de la respiración aeróbica es la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria, que consiste en un sistema de complejos enzimáticos (I, II y III) y moléculas transportadoras de electrones a lo largo de la membrana interna de la mitocondria (fig. 2.76). En cada complejo ocurren reacciones de oxidación y reducción y las moléculas transportadoras son la DPFO[JNB2 y el citocromo c. Al final de la cadena se encuentra el complejo donde se sintetiza el ATP. Conjuntamente a la cadena de transporte de electrones, actúa un sistema que bombea protones o hidrogeniones (H+) al espacio intermembranal para formar un gradiente. Las coenzimas NADPH + H+ y FADH2, obtenidas de las fases anteriores de la respiración celular (glucólisis y ciclo de Krebs), donan hidrogeniones o protones (H+) y electrones (e–). Los protones son bombeados hacia el espacio intermembranal de la mitocondria, mientras que los electrones son pasados de un complejo a otro por las moléculas transportadoras hasta que llegan a su aceptor final, el oxígeno, que se une con dos hidrogeniones para formar agua. El movimiento de los protones de un lado a otro de la membrana permite la generación de energía para fosforilar el ADP a ATP, en el proceso conocido como fosforilación quimiosmótica o fosforilación oxidativa. Desde que inicia hasta que concluye el proceso de transporte de electrones se generan 34 ATP. Por tal razón, se considera que la cadena de transporte de electrones es la fase más importante de la respiración aerobia. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G118 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos La cadena de transporte de electrones es un sistema de complejos enzimáticos y moléculas transportadoras localizados en la membrana interna de la mitocondria. Las coenzimas NADPH + H+ y FADH2 ceden protones y electrones. Los protones forman un gradiente que permite la fosforilación quimiosmótica para formar ATP, mientras que los electrones son transportados de un complejo a otro, hasta llegar al aceptor final, el oxígeno, que con un par de hidrogeniones produce agua. Este sistema genera 34 moléculas de ATP. Rendimiento energético de la respiración aerobia El proceso de producción de energía dentro de la célula es un sistema eficiente, ya que la glucólisis, que ocurre en el citoplasma, genera los productos necesarios para iniciar el ciclo de Krebs, que tiene lugar en la matriz mitocondrial y, a su vez, algunos productos de ambos procesos contribuyen al funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa en la membrana interna de la mitocondria. En la siguiente ecuación puedes observar los reactivos iniciales, así como los productos finales del proceso completo de la respiración celular. En el cuadro 2.23 puedes ver cuántas moléculas de ATP se producen en cada fase de la respiración aerobia. Ecuación de la respiración celular C6H12O6 + 6O2+ + 6H2O + 38ADP + 38Pi 6CO2 + 12H2O + 38 ATP Cuadro 2.23 Producción de ATP en la respiración aerobia Fase Ubicación Productos ATP Glucólisis Citoplasma. 2 ácido pirúvico 2 NADPH + H+ 2 Ciclo de Krebs Matriz de la mitocondria. 4 CO2 8 NADPH + H+ 2 FADH2 2 Cadena de transporte de electrones y fosforilación quimiosmótica Membrana interna de la mitocondria. H2O 34 38 ATP Cada vez que ocurre la fosforilación de ADP a ATP, hay un incremento de energía libre de 7.3 kcal/mol. Si al final de la respiración aeróbica se producen 38 ATP, entonces se obtienen en total 277.4 kcal/mol. Como viste en la ecuación general de la respiración aerobia, la energía libre de la glucosa es de 686 kcal/mol. A partir de estos datos podemos determinar que el proceso celular para degradar la glucosa es altamente eficiente: –277.4 –686 100 40.44% En la figura 2.77 puedes observar los sitios de la célula donde se realizan las fases de la respiración aeróbica. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Total Los productos de la glucólisis y del ciclo de Krebs participan en la cadena de transporte de electrones y en la fosforilación oxidativa. Al final de la respiración celular aeróbica se obtienen 38 moléculas de ATP, por lo que es un proceso con una alta eficiencia, aproximadamente de 40%. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 119 Biología general Figura 2.77 Nombre Proceso Sitio donde ocurre Glucosa Glucólisis Piruvato ATP Ácido pirúvico Mitocondria ATP Ciclo de Krebs NADH + H y FADH2 Célula Cadena de transporte de electrones Transporte de electrones Fosforilación quimiosmótica ATP 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Respiración celular aerobia. La glucólisis se realiza en el citoplasma, sus productos pasan a la matriz de la mitocondria, para iniciar el ciclo de Krebs. Los productos de ambas fases participan en la cadena de transporte de electrones y la fosforilación quimiosmótica para formar ATP, que ocurren en la membrana interna de la mitocondria. 3I9EACC RESPIRACIÓN ANAEROBIA Cuadro 2.24 Productos sintetizados por fermentación Producto Usos Alcohol etílico Industria vinícola. Solvente. Combustible. Ácido láctico Fabricación de quesos y yogur. Butanol Líquidos para frenos. Resinas y lacas. Vitaminas Complementos vitamínicos. Metanol Combustible. Glicerol Solvente o lubricante para alimentos y cosméticos. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G120 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Recuerda que la glucólisis es un mecanismo común a todos los seres vivos que metabolizan la glucosa, no requiere oxígeno y se produce ácido pirúvico y ATP. En los organismos aeróbicos, continúa el proceso hacia el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, mientras que en ausencia de oxígeno se sigue otra vía metabólica conocida como fermentación. La fermentación es realizada por bacterias, levaduras y algunas otras células en condiciones especiales. Los organismos fermentadores transforman el ácido pirúvico en alcohol etílico (etanol) o en ácido láctico (lactato), por lo que se reconocen dos tipos de fermentación: la alcohólica y la láctica. Los productos que se obtienen en ambos se utilizan en diversas industrias (cuadro 2.24). En la respiración aerobia el aceptor final de electrones es el oxígeno; en la respiración anaerobia, es un compuesto orgánico. En la fermentación se obtiene una ganancia de 2 ATP, por fosforilación a nivel de sustrato. I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 Fermentación alcohólica. Este tipo de fermentación la realizan las levaduras, como Saccharomyces cerevisiae y algunas bacterias, que producen alcohol etílico y CO2. Estos organismos constituyen la base de la industria vinícola, panadera y de la cerveza. En el caso del pan el alcohol se evapora en el momento de la cocción. En la figura 2.78 puedes ver algunos de los productos que se obtienen y la vía metabólica de la fermentación alcohólica. En la sección Conoce más podrás leer acerca de los combustibles alternativos obtenidos por fermentación alcohólica. Figura 2.78 a COO- b C O CH3 2 PIRUVATO CO2 Glucosa H 2 2 NAD+ CH3 2 ACETALDEHÍDO Glucólisis 2 O C ADP 2 ATP 2 Piruvato NADH +H+ CH2 OH CH3 2 ETANOL Fermentación alcohólica. a) Productos que se obtienen aprovechando la fermentación alcohólica. b) Vía metabólica a partir de la glucosa. Conoce más Combustibles verdes 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= El uso indiscriminado de combustibles fósiles libera gases contaminantes a la atmósfera, lo que ha generado un grave problema de contaminación. Es por eso que desde hace algunos años se han venido buscando fuentes alternas de energía. Uno de los grandes desarrollos en este campo es la producción de los combustibles a partir de plantas, granos y desechos orgánicos, mediante el proceso de fermentación realizado por microorganismos. En América Latina se ha dado un auge en la producción de etanol que, mezclado con gasolina, se usa como biocombustible. Brasil es el principal productor de biocombustible y actualmente abastece su autoconsumo y el consumo de otros países, sin embargo, cada vez se requiere más de este tipo de combustible por la creciente demanda de países, como Estados Unidos de América, Suecia y Japón. La Unión Europea considera que el porcentaje de etanol que contienen las gasolinas deberá ir aumentando constantemente. El uso de estos combustibles alternativos requiere que, al mismo tiempo, las empresas armadoras de automóviles cambien la tecnología para que los nuevos autos los utilicen de manera eficiente. En algunos países se produce el biocombustible a partir de la caña de azúcar y del maíz, ya que el proceso de fermentación inicia con un azúcar simple, como la glucosa. Sin embargo, tener grandes cultivos de caña de azúcar para la producción de biocombustible, es un desperdicio. Actualmente, se está promoviendo la producción de etanol a partir de desechos de celulosa, como los de papel, madera e incluso de basura orgánica. Para esta variante en la producción de etanol, se requiere introducir enzimas producidas por hongos o bacterias para que degraden la celulosa. Entre las ventajas del uso de biocombustibles podemos citar: a) una menor emisión de CO2 a la atmósfera, b) es un combustible renovable, c) su producción a partir de residuos disminuye la cantidad de basura y d) es más barato que la gasolina. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 121 Biología general Fermentación láctica. Algunas bacterias realizan este proceso de fermentación, obteniendo como producto final ácido láctico. Debido a la liberación del ácido láctico, se disminuye el pH, lo que provoca cambios químicos en la leche, que se utilizan en la fabricación de quesos y yogur (fig. 2.79). Entre los microorganismos que realizan este proceso se encuentran los lactobacilos y algunas especies de estreptococos. Figura 2.79 a b Lactosa Galactosa 2 Glucosa COO - C O CH3 2 PIRUVATO ADP 2 NAD+ Glucólisis 2 ATP 2 NADH + H+ COOHO C H 2 Piruvato CH3 2 LACTATO Fermentación láctica. a) Productos elaborados con microorganismos fermentadores y b) vía metabólica de la fermentación láctica. Figura 2.80 Glucosa | | Glucólisis Respiración aerobia Respiración anaerobia | | | | Ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones Fermentación Alcohólica Láctica | | | 38 ATP 2 ATP 2 ATP Podemos concluir que el proceso de respiración anaerobia es menos eficiente que el de respiración aerobia en cuanto a la generación de energía, porque en el primero se consume energía para la producción de diferentes compuestos orgánicos (fig. 2.80). Por esta razón, los organismos que realizan respiración anaerobia tienen, por lo general, un crecimiento menor que los que llevan a cabo respiración aerobia. Tipos de respiración. La respiración aerobia produce 38 ATP, mientras que la respiración anaerobia sólo genera 2 moléculas de ATP. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Ácido pirúvico Fermentación láctica muscular. Algunos animales, incluyendo el hombre, producen ácido láctico a partir del ácido pirúvico en condiciones de falta de oxígeno en la célula. Este fenómeno ocurre cuando se realiza un ejercicio extenuante, como el de los maratonistas, y no llega suficiente oxígeno a los músculos. Como resultado de la falta de oxígeno, el piruvato no pasa al ciclo de Krebs, sino que toma la vía de fermentación láctica, por lo que el ácido láctico se acumula en los músculos provocando fatiga y dolor. 3I9EACC La respiración anaerobia o fermentación es una vía de degradación de la glucosa sin oxígeno. La realizan principalmente microorganismos, como levaduras y bacterias, que se aprovechan comercialmente en la elaboración de vino, cerveza, pan, quesos y yogur. Existen dos tipos de fermentación: alcohólica y láctica, en ambos sólo se obtiene una ganancia neta de 2 moléculas de ATP. En la fermentación alcohólica se produce alcohol etílico, bióxido de carbono y ATP. En la fermentación láctica, se obtiene ácido láctico y ATP. También se presenta fermentación láctica en células musculares, en condiciones de falta oxígeno. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G122 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos NUTRICIÓN Mediante la nutrición los seres vivos incorporan a sus cuerpos las sustancias nutritivas que necesitan para mantenerse, crecer y realizar todas las funciones. La nutrición puede ser heterótrofa, cuando el organismo necesita de una fuente externa para obtener las sustancias nutritivas, o autótrofa, cuando el organismo es capaz de sintetizar las sustancias que requiere. Organismos heterótrofos Los organismos heterótrofos (hetero: otro; trofo: se alimenta de) dependen de otros seres para sobrevivir, ya que se alimentan de plantas, animales o restos de éstos. Algunas bacterias y los hongos son heterótrofos; todos los animales, incluyendo a los seres humanos, también lo somos y, por tanto, dependemos de las sustancias que producen los organismos autótrofos. Según el tipo de alimento que consumen, los heterótrofos se clasifican en: herbívoros, carnívoros, omnívoros y saprobios. Los herbívoros, como los conejos, caballos y elefantes, se alimentan de plantas, de algas o de fitoplancton. Los carnívoros, como los perros, los pumas y las águilas, consumen a otros heterótrofos. Los omnívoros, como los osos, los ratones y el hombre, pueden comer tanto plantas como animales. Los saprobios son organismos como bacterias y hongos, que se nutren de la materia orgánica en descomposición por lo que actúan como desintegradores o descomponedores en las cadenas alimenticias (cuadro 2.25). Cuadro 2.25 Clasificación de los heterótrofos Tipo de heterótrofo Se alimenta de Ejemplos Herbívoros Plantas y algas. Ardilla, venado y chapulín. Carnívoros Animales. León, lobo y águila. Omnívoros Plantas y animales. Hombre, oso, cerdo. Saprobios Materia orgánica. Hongos y algunas bacterias. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Organismos autótrofos 3I9EACC Los seres autótrofos (auto: por sí mismo; trofo: se alimenta de), producen o sintetizan las sustancias que requieren. Existen dos tipos, los fotoautótrofos y los quimioautótrofos. Los fotoautótrofos obtienen las sustancias que necesitan a partir de la fotosíntesis, utilizando como fuente de energía la luz solar, mientras que los quimioautótrofos producen los compuestos orgánicos que requieren a partir de compuestos inorgánicos, utilizando la energía producida por las reacciones químicas. En el cuadro 2.26 puedes ver la clasificación de los organismos con base en su tipo de nutrición. La nutrición es el proceso por el cual los seres vivos obtienen las sustancias que requieren. Los autótrofos sintetizan los compuestos que necesitan y existen dos tipos: los fotoautótrofos y los quimioautótrofos. Los organismos heterótrofos toman las sustancias que requieren de una fuente externa; existen cuatro tipos: los herbívoros que comen plantas, los carnívoros que se alimentan de carne, los omnívoros que comen plantas y carne, y los saprobios que se nutren de materia orgánica en descomposición. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 123 Biología general Fotoautótrofos Plantas y algas Quimioautótrofos Algunas bacterias Autótrofa Se alimentan de NUTRICIÓN Heterótrofa Herbívoros Fotosintetizadores Carnívoros Herbívoros Omnívoros Herbívoros y carnívoros Saprobios Materia orgánica FOTOSÍNTESIS Relación entre respiración celular y fotosíntesis Antes de estudiar el proceso anabólico de la fotosíntesis, es necesario señalar la importante relación que existe entre éste y la respiración celular. Recuerda que durante la respiración celular se produce, a partir de la glucosa (C6H12O6), bióxido de carbono (CO2) y energía (ATP), mismos que son utilizados durante la fotosíntesis para producir glucosa. Por tanto, la respiración celular y la fotosíntesis son procesos complementarios, ya que los productos de uno sirven para iniciar el otro proceso (fig. 2.81). Procesos complementarios Fotosíntesis: bióxido de carbono + agua (CO2) Respiración celular: glucosa luminosa bióxido de carbono + oxígeno (C6H12O6) I= =IM= (H2O) + energía (O2) (CO2) glucosa (C6H12O6) + agua (H2O) + oxígeno (O2) + energía ATP 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Figura 2.81 Glucosa La fotosíntesis y la respiración celular son procesos complementarios, ya que los productos de la fotosíntesis se utilizan en la respiración celular y los productos de la respiración sirven en la fotosíntesis. + O2 ATP Calor H2O CO2 P ATP 0 G IA? CO2 H2O Fotosíntesis Respiración Comparación entre fotosíntesis y respiración. La fotosíntesis es una reacción endergónica que utiliza la energía radiante para sintetizar glucosa a partir del CO2 y agua. La respiración es un proceso exergónico que desdobla glucosa hasta CO2 y agua y libera energía en forma de ATP. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G124 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 La fotosíntesis (foto:luz; síntesis: producir) es el proceso por el cual los organismos autótrofos producen las sustancias nutritivas que requieren. Se trata de un proceso biológico tan importante que no podríamos concebir la vida, como la conocemos actualmente, sin él, ya que los organismos autótrofos utilizan la energía primaria del Sol y la convierten en energía química aprovechable para todos los seres vivos. Además, la fotosíntesis produce el oxígeno (O2) indispensable I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos para la respiración de todos los organismos aerobios. La reacción general de la fotosíntesis se presenta de la siguiente forma: PIENSA RÁPIDO ¿Cuál planta tendrá más cloroplastos, una de sol o una de sombra? Ecuación general de la fotosíntesis 6CO2 + 6H2O + energía luminosa Factores de la fotosíntesis C6H12O6 + 6O2 Figura 2.82 Si observas la reacción anterior parece un proceso simple, sin embargo, en la fotosíntesis intervienen diversos factores (fig. 2.82) y ocurren varias reacciones que explicamos más adelante. A continuación estudiaremos los principales factores de la fotosíntesis: los cloroplastos, los pigmentos, la luz, el agua y el bióxido de carbono. Producción de glucosa Energía Cloroplastos. Son organelos con forma ovoide que tienen doble membrana, su longitud varía entre 2 y 6µm. Se encuentran en las células de clorénquima o tejido fotosintético, principalmente en hojas y tallos jóvenes. El número de cloroplastos por célula puede ser de 25 y hasta 75, dependiendo de la especie. En la región externa, el cloroplasto presenta una doble membrana y, en la región interna, tiene una matriz líquida llamada estroma, dentro de la cual se organiza un sistema interno de membranas que forman vesículas o tilacoides, que se encuentran apilados en estructuras denominadas grana. Los grana se interconectan por membranas llamadas lamelas o intergrana (fig. 2.83). En el cuadro 2.27 puedes ver un resumen de las partes del cloroplasto. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Cuadro 2.27 Partes del cloroplasto Región externa CO2 O2 Cloroplastos H2O Factores que intervienen en la fotosíntesis. La fuente de energía es la luz solar. Las raíces absorben agua y sales minerales. Los estomas, en el envés de las hojas, permiten el intercambio gaseoso (entrada de CO2 y salida de O2). El producto principal de la fotosíntesis es la glucosa. Figura 2.83 Doble membrana externa Membrana externa ADN circular Membrana interna Membrana del tilacoide Estroma Estroma: matriz líquida Grana (apilamiento de tilacoides) Tilacoide: vesícula o saco Cloroplasto Región interna (SBOBDPOKVOUP de tilacoides Lamela: membrana intergrana Gránulo de almidón Tilacoide Lumen: espacio interno de los tilacoides Ribosomas Espacio intermembrana Cloroplasto. Observa cada una de las partes de este organelo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 125 Biología general Pigmentos. En el interior de los grana están los pigmentos, de los cuales los más abundantes son las clorofilas a y b (fig. 2.84), que son verdes. También se encuentran carotenos (amarillo y anaranjado), xantofilas (amarillo oscuro) y antocianinas (rojo, púrpura o azul). La clorofila constituye aproximadamente 5% del peso seco del cloroplasto. Aunque las clorofilas son muy similares en su estructura química, cada una capta diferentes longitudes de onda del espectro de luz solar. Figura 2.84 H C R N O Mg Clorofila a: R Clorofila b: R CH3 C H O Clorofila. Las clorofilas a y b son iguales, excepto en el radical (R). En la clorofila a, es CH3, en la b, es CHO. 85 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Clorofila a 400 violeta 450 azul 500 550 600 Longuitud de onda (nm) verde 650 amarillo naranja 700 rojo ESPECTRO DE ABSORCIÓN Espectro de absorción. Observa que las clorofilas a y b captan diferentes longitudes de onda. 0 G IA? 3I9EACC Los cloroplastos son los organelos celulares en los que ocurre la fotosíntesis. Presentan una doble membrana externa y en su interior existe una matriz acuosa llamada estroma, dentro de la cual una membrana interna conforma los tilacoides y los grana. Dentro de los cloroplastos se encuentran pigmentos, como la clorofila a y b, así como los carotenos, las xantofilas y las antocianinas. La energía que se requiere para iniciar la fotosíntesis proviene de la luz solar y es captada por los pigmentos. Clorofila b P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Porcentaje de absorción Figura 2.85 Luz. La fotosíntesis es una reacción que requiere energía, la cual proviene del Sol. Las clorofilas y los otros pigmentos funcionan como antenas que captan la luz solar, lo que da inicio al proceso fotosintético. La luz visible abarca longitudes de onda que oscilan entre 400 y 700 nanómetros (nm) y corresponden a la gama de colores que van del violeta al rojo. Los pigmentos absorben y reflejan diferentes longitudes de onda, por ejemplo, las clorofilas son verdes, porque reflejan las longitudes de onda cercanas al verde. Sin embargo, en ambas clorofilas se observan diferencias en cuanto a su absorción; la clorofila a absorbe principalmente el rojo y el violeta, mientras que la clorofila b muestra un mayor porcentaje de absorción hacia el azul y el naranja (fig. 2.85). La molécula de agua aporta los electrones y los protones que se utilizan en la fotosíntesis y es la fuente del oxígeno que se libera. Durante la fotosíntesis se fija el bióxido de carbono de la atmósfera que se utiliza para producir la molécula de glucosa. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G126 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Agua. La molécula del agua es muy importante en el proceso fotosintético. La planta la absorbe a través de las raíces y sirve como solvente de las sales minerales. Durante la fotosíntesis y en presencia de la luz, las moléculas de agua que se encuentran dentro del cloroplasto se separan en electrones, protones y oxígeno. Los electrones del agua son utilizados para reponer los electrones de la clorofila, los protones se usan en la formación de ATP y el oxígeno se libera a la atmósfera. Bióxido de carbono. Los estomas son estructuras celulares localizadas en mayor proporción en el envés de las hojas. Se abren y cierran permitiendo el intercambio de gases con el medio; durante la fotosíntesis captan el CO2 y liberan el O2, mientras que para la respiración permiten el paso del O2 y liberan el CO2. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual se fija el bióxido de carbono de la atmósfera, ya que este gas es la fuente de carbono para la producción de glucosa en la fotosíntesis. I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Fases de la fotosíntesis Figura 2.86 Fase luminosa Estroma de cloroplasto Fotosistema II Trampas energéticas Membrana de grana La fotosíntesis se realiza en dos etapas conocidas como fase luminosa y fase oscura. El inicio del proceso requiere de luz para que ocurran las primeras reacciones, por lo que esta etapa se denomina fase luminosa o clara y ocurre en la membrana de los grana. Parte de los productos obtenidos en la etapa luminosa, pasan al estroma del cloroplasto, donde se realizan otras reacciones que no requieren luz, por tanto, esta etapa recibe el nombre de fase oscura. Cabe aclarar que esta última fase puede ocurrir durante el día aunque no requiere luz. Dentro de la fase luminosa ocurren dos grupos de reacciones, las no cíclicas y las cíclicas. Las reacciones no cíclicas tienen lugar en los fotosistemas I y II, mientras que en las reacciones cíclicas sólo participa el fotosistema I. Fotosistemas. Son dos fotosistemas (I y II) que se localizan en la membrana de los grana (fig. 2.86). Cada fotosistema está formado por tres partes: a) la trampa energética, b) el centro de reacción y c) el sistema de transporte de electrones. 0 G IA? P 3I9EACC Centro de reacción P680 Acarreadores móviles Centro de reacción P700 Sistema de transporte de electrones Fotosistema I Lumen de grana Fotosistemas I y II. Cada fotosistema está integrado por una trampa energética, un centro de reacción y un sistema de transporte de electrones. Figura 2.87 Sol en er gé t ica Centros de reacción. En cada fotosistema hay un centro de reacción. En el fotosistema I, el centro de reacción es el P700, donde la clorofila a absorbe mejor la luz roja, con una longitud de onda de 700 nm. El fotosistema II tiene el centro de reacción P680 en el cual la clorofila a tiene una mejor absorción a la longitud de onda de 680 nm, es decir, hacia el naranja. Funcionamiento de los fotosistemas. El electrón (e) que libera la clorofila a pasa a un sistema de moléculas acarreadoras, que conforman el sistema de transporte de electrones. La primera molécula acarreadora, llamada plastiquinona (Q), capta al electrón fotoactivado (activado por la luz ) y lo pasa al complejo b6, donde se utiliza la energía del electrón para mover protones (H+) al lumen del tilacoide y formar un gradiente que sirve en la fosforilación de ADP para formar ATP. Cuando se activa el fotosistema I, los electrones pasan a la ferro- 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 am pa Sistema de transporte de electrones. Es un sistema de moléculas acarreadoras que transportan a los electrones de un sitio a otro. Se localiza en la membrana de los tilacoides. Tr 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Trampas energéticas. Las moléculas de pigmentos se concentran en un extremo del fotosistema y funcionan como trampas energéticas o antenas colectoras de luz, que captan la energía luminosa del Sol y la transmiten hacia el centro de reacción. Cuando la clorofila a del centro de reacción absorbe suficiente energía, un electrón de la clorofila se excita y escapa de su órbita, iniciando el proceso fotosintético (fig. 2.87). Sistema de transporte de electrones Centro de reacción P700 o P680 e- Trampas energéticas. Las moléculas de pigmento capturan la energía luminosa que transmiten al centro de reacción. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 127 Biología general H+ ATP H+ Pi + ADP + NADPH Fotosístema I NADP Fotosistema II Complejo citocromo H+ e FNR H+ Fd PSI e e PQ e PC Figura 2.88 Sistema de transporte de electrones. El fotosistema II, que capta la longitud de onda de 680 nm, se activa antes que el fotosistema I, cuyo rango de absorción es de 700 nm. H+ H+ O2 H+ H+ NADP reductasa H+ H+ 1/2 2H+ Interior del tilacoide ATP sintetasa H2O doxina (Fd) que lo transfiere a la enzima NADP reductasa (FNR), la energía de ese electrón actúa en la reacción de reducción de NADP a NADPH + H+. Los electrones del fotosistema I se reponen con los liberados por el fotosistema II, que pasan por la plastiquinona, al complejo b6 y de ahí a otro acarreador llamado plastocianina (Pc) que lo transfiere al fotosistema I (fig. 2.88). Reacciones no cíclicas de la fase luminosa. Se denominan reacciones no cíclicas porque el transporte de electrones es lineal. El proceso fotosintético inicia con las reacciones no cíclicas, en las que primero interviene el fotosistema II y después el fotosistema I. Los productos de estas reacciones son ATP, NADPH + H+ y O2; las dos primeras moléculas se utilizan en la fase oscura, mientras que el oxígeno se libera a la atmósfera. En el cuadro 2.28 se presentan de manera resumida las reacciones que ocurren en la fase luminosa. Cuadro 2.28 Fase luminosa de la fotosíntesis Reacciones No cíclicas Participan Fotosistemas I y II 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Reacciones cíclicas de la fase luminosa. Se les conoce como cíclicas porque cuando el electrón del fotosistema I es fotoactivado, pasa por un sistema de transporte de electrones y regresa. En estas reacciones la energía del electrón se utiliza para transportar protones (H+), del estroma hacia el lumen, formando el gradiente quimiosmótico que permite la fosforilación del ADP para formar ATP. Fase luminosa Cíclicas 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G128 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 Fotosistema I I 7 = 2: B 0=E I9C Producto Pasa a ATP Fase oscura NADPH + H+ Fase oscura O2 Atmósfera ATP Fase oscura La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 La energía del Sol da inicio a la fase luminosa de la fotosíntesis. Las trampas energéticas de los fotosistemas capturan y almacenan energía que pasa al centro de reacción de los fotosistemas. Los fotosistemas I y II participan en las reacciones no cíclicas, para producir ATP, NADPH + H+ y oxígeno. Las reacciones cíclicas ocurren sólo en el fotosistema I, donde la energía del electrón fotoactivado se utiliza en la producción de ATP. Fase oscura La siguiente fase es tradicionalmente conocida como fase oscura, ya que no requiere de la activación de la luz; sin embargo, puede ocurrir en el día o en la noche, por lo que es más correcto referirse a ella como fase de fijación del CO2 o ciclo de Calvin. Esta fase ocurre en el estroma del cloroplasto y se caracteriza por una serie de reacciones que producen glucosa a partir del CO2 atmosférico para lo cual se utilizan el ATP y el NADPH + H+ que se forman en la fase luminosa. En el ciclo de Calvin se reconocen seis reacciones clave que describimos a continuación (fig. 2.89). Figura 2.89 FLASH P P 6C Intermediario inestable CO2 1 P P 3C 3PG 3-fosfoglicerato P 5C RuBP Ribulosa 1,5-difosfato ATP ADP P I= =IM= 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? ATP 3C 3PG 3-fosfoglicerato 6 NADPH + H+ 5C RuP Ribulosa fosfato NADP+ P 5 ATP 2 ADP PP 3C DPG 1,3-difosfoglicerato ADP P P En el fondo marino se han encontrado bacterias quimiosintéticas que obtienen su energía de aguas calientes cargadas de azufre. Estas bacterias son la base de las cadenas alimenticias de las comunidades que ahí se desarrollan. P 3C DPG 1,3-difosfoglicerato NADPH + H+ 3 NADP+ P 3C G3P gliceraldehído 3 fosfato 3C G3P gliceraldehído 3 fosfato 0 G IA? P 4 6C GLUCOSA Ciclo de Calvin. También llamado fijación de CO2 o fase oscura. Ocurren seis reacciones para producir glucosa. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 129 Biología general Figura 2.90 3C 3GP Gliceraldehído 3 fosfato 1. Carboxilación. La enzima ribulosa 1,5-difosfato carboxilasa (rubisco) cataliza la unión del CO2 a un compuesto de cinco carbonos, la ribulosa difosfato (RuBp). De ahí se forma un compuesto intermedio de seis carbonos, muy inestable, que se separa de inmediato en dos compuestos de tres carbonos cada uno. 2. Primera fosforilación. En esta reacción el ATP libera energía y transfiere un fosfato a cada compuesto de tres carbonos. El ADP resultante pasa a las reacciones de la fase luminosa donde vuelve a ser fosforilado. 3. Reducción. El NADPH + H+ libera hidrogeniones, que se cambian por un grupo fosfato en el compuesto de tres carbonos, formándose gliceraldehído 3 fosfato (G3P). Tanto el NADP como los fosfatos se reciclan hacia la fase luminosa. Ácidos grasos 3C 3GP Gliceraldehído 3 fosfato Glicerol Aminoácidos Fructosa 1,6 difosfato Glucosa Almidón Producción de ATP Formación de glucosa. Las moléculas de tres carbonos pueden seguir diferentes vías. 5. Regeneración. En esta parte del ciclo las moléculas de tres carbonos que no pasan a la producción de glucosa, son reutilizadas en la formación de la molécula de cinco carbonos. 6. Segunda fosforilación. En esta reacción otra molécula de ATP cede un grupo fosfato a la molécula de cinco carbonos para formar la ribulosa 1,5 difosfato (RuBp), con la que se inicia nuevamente el ciclo. Figura 2.91 Sol La rubisco en la enzima más abundante de la biosfera y es la responsable de la producción de biomasa del planeta. O2 CO2 Clorofila: absorbe energía luminosa Transportación de energía H Síntesis química H 2O Entrada de agua 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Formación de glucosa. En esta parte del ciclo pueden ocurrir tres reacciones distintas (fig. 2.90): a) las dos moléculas de tres carbonos se utilizan en la formación de ácidos grasos, glicerol o aminoácidos, b) las moléculas de tres carbonos se unen para formar un compuesto de seis carbonos, como la fructosa 1,6 difosfato, y c) la fructosa 1,6 difosfato se desfosforila y forma glucosa. La glucosa puede seguir una de dos vías: hacia la formación de almidón, que es la sustancia de reserva de las plantas, o se puede dirigir a las mitocondrias, donde se utiliza en la respiración celular para producir energía. FLASH 4. Glucosa C6H12O6 Agua H 2O Maquinaria fotosintética. Observa la comparación entre el funcionamiento de una máquina y el proceso de la fotosíntesis. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G130 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos En el ciclo de Calvin se produce glucosa a partir del CO2 atmosférico. Consiste en una serie de reacciones que ocurren en el estroma del cloroplasto. En este proceso se utilizan el ATP y el NADPH + H+ que se forman en la fase luminosa. En el ciclo de Calvin se reconocen seis reacciones: carboxilación, primera fosforilación, reducción, formación de glucosa, regeneración y segunda fosforilación. En la figura 2.91 se muestra una analogía del proceso fotosintético, donde se compara la fotosíntesis con el trabajo realizado por una máquina, debido a que en ambos casos se requiere energía y materias primas para obtener un producto. La fotosíntesis es la fuente de vida en nuestro planeta, ya que produce alimento, en forma de glucosa, que utilizan las plantas y todos los organismos en el proceso de producción de energía. Además, este proceso provee de oxígeno a la atmósfera, el cual es utilizado por todos los organismos aerobios en la respiración. En la sección Conoce más encontrarás información de los avances científicos para lograr la fotosíntesis artificial. QUIMIOSÍNTESIS 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Recuerda que hay dos tipos de organismos autótrofos, los fotosintéticos y los quimiosintéticos. La quimiosíntesis se define como el proceso de producción de compuestos orgánicos, a partir de compuestos inorgánicos, utilizando como fuente de energía la que producen las reacciones químicas. Las bacterias que llevan a cabo este proceso reciben el nombre de quimioautótrofas o quimiosintéticas. 3I9EACC Conoce más Fotosíntesis sin plantas Desde que los científicos se dieron cuenta de todos los beneficios que la fotosíntesis proporciona a la vida de nuestro planeta, se han propuesto reproducir este proceso en condiciones artificiales, es decir, realizar fotosíntesis sin plantas. Imagina lo que sería poder solucionar el problema del cambio climático, utilizando el exceso de CO2 de la atmósfera contaminada o producir oxígeno (O2) a partir de agua (H2O) y FOFSHÓBMVNJOPTB7BSJPTDJFOUÓmDPTBMSFEFEPS del mundo están dando pasos agigantados para lograr la fotosíntesis artificial, mediante la cual se puede generar hidrógeno (H) partiendo la molécula del agua con la energía solar. El hidrógeno puede ser usado como fuente de energía, por lo que la industria de los automóviles está trabajando en la adecuación de los motores para el uso de esta tecnología del futuro. Uno de los principales problemas en el desarrollo de la fotosíntesis artificial son las sustancias corrosivas que se forman durante la oxidación de la molécula de agua. Las plantas solucionan este problema con la continua renovación de sus propios catalizadores. Para salvar este obstáculo técnicamente, debe pensarse en catalizadores estables y resistentes. Con esta hipótesis en mente, un grupo de investigadores alemanes sintetizaron un complejo inorgánico conformado por cuatro iones de rutenio (Ru) para catalizar la oxidación rápida de la molécula de agua (H2O). La estabilidad de este complejo se atribuye a la carencia de componentes orgánicos en su molécula. Según estos investigadores, el siguiente paso consistirá en integrar el complejo de rutenio a los sistemas fotoactivos para convertir la energía solar en energía química. Algunas bacterias quimioautótrofas se encuentran en pantanos o aguas de drenaje, donde oxidan el azufre (S) u otros compuestos. En las aguas de las profundidades del mar, las bacterias quimiosintéticas utilizan el sulfuro de hidrógeno (H2S), de donde obtienen electrones, para producir compuestos orgánicos y, de esa manera, inician una cadena alimenticia como productores. Figura 2.92 Otras bacterias de este tipo, conocidas como fijadoras de nitrógeno, toman el nitrógeno (N) de la atmósfera y producen compuestos nitrogenados que pueden ser utilizados por las plantas. Algunas de estas bacterias viven libres en el suelo, mientras que otras tienen una asociación simbiótica con las raíces de plantas como las leguminosas, por ejemplo, el frijol, el chícharo y las habas (fig. 2.92). También existen bacterias nitrificantes quimiosintéticas que fijan el CO2, utilizando la energía de la oxidación de compuestos nitrogenados. Tanto las bacterias nitrificantes, como las fijadoras, participan en el ciclo del nitrógeno. La quimiosíntesis es una forma de nutrición autótrofa, por la cual las bacterias quimioautótrofas producen compuestos orgánicos, a partir de compuestos inorgánicos, utilizando como fuente de energía la producida por las reacciones químicas. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: Bacterias fijadoras de nitrógeno. Observa los nódulos en las raíces de las leguminosas. Éstos contienen bacterias que fijan el nitrógeno de la atmósfera. B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 131 Biología general Figura 2.93 a 2.7 DIFERENCIAS ENTRE SISTEMAS UNICELULARES Y PLURICELULARES El número de células que poseen los eucariontes nos permite separarlos en dos grupos con diferencias muy significativas: unicelulares y pluricelulares (fig. 2.93). Los organismos unicelulares tienen solamente una célula, mientras que los seres pluricelulares tienen un cuerpo formado por una gran cantidad de células. Esta diferencia es más que estructural, ya que implica diferencias en la forma de respuesta y de relación del organismo con su medio. Partiendo de los niveles de organización, un organismo unicelular se brinca del nivel celular al nivel individuo; sin embargo, los niveles intermedios quedan implícitos en las funciones que el individuo realiza. La primera evidencia de la condición pluricelular es la diferenciación celular, lo que da origen a tejidos, órganos y sistemas diferentes, provocando al mismo tiempo una especialización, que conduce a un mejor desempeño. b Así, por ejemplo, si analizamos un organismo unicelular, digamos una amiba, esta célula por sí misma realiza todas las funciones de un organismo, ya que es capaz de alimentarse por medio de endocitosis, de moverse por los cambios del citoplasma y los pseudópodos, de obtener energía por la respiración celular, además, se reproduce por fisión binaria y se relaciona con su medio ya que responde a cambios en el ambiente. Este organismo carece de un sistema vascular; sin embargo, las funciones de transporte las lleva a cabo el retículo endoplásmico y el citoplasma y, aunque no tiene un sistema excretor, el aparato de Golgi compacta los desechos que se liberan por exocitosis. El núcleo de la amiba realiza las funciones de control metabólico, además del control reproductivo y genético, así como de producción de las sustancias que se necesitan. A pesar de esta aparente simplicidad estructural en los organismos unicelulares pueden realizar las funciones que caracterizan a todos los seres vivos. Cuadro 2.29 Diferencias sistemas unicelulares y pluricelulares Unicelular y pluricelular. a) Organismo unicelular (amiba) y b) organismo pluricelular (bebé). Característica Organismo unicelular Organismo pluricelular Sencilla, formada por un sola célula con organelos. Compleja, formada por miles de células diferenciadas, organizadas en tejidos, órganos y sistemas. Metabolismo Reacciones anabólicas y catabólicas ocurren continuamente en el interior de la célula, en sitios y organelos específicos. Metabolismo celular igual que en organismos unicelulares. Algunas células pierden funciones metabólicas, otras las realizan más aceleradamente. El metabolismo del organismo requiere la participación de varios órganos y sistemas. Respuesta La irritabilidad se manifiesta en su respuesta al medio, principalmente a través de la membrana celular. Los órganos de los sentidos reciben los estímulos del medio y la respuesta la procesa el sistema nervioso. Regulación La regulación de procesos y reacciones ocurre a nivel molecular. Los sistemas glandular y nervioso regulan los mecanismos internos y de respuesta. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Estructura 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G132 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Por otra parte, si revisamos un organismo pluricelular, por ejemplo un ser humano, nos damos cuenta que cada función se relaciona con un sistema, con órganos y con tejidos específicos que, en el transcurso de la evolución, se han especializado, hasta alcanzar un alto nivel de diferenciación, tan es así que tenemos células completamente diferentes en estructura y en función, por ejemplo, una neurona comparada con un glóbulo rojo. En este nivel de diferenciación algunas células pierden organelos y funciones, como el glóbulo rojo, que no tiene núcleo, o la neurona, que disminuye notablemente su capacidad de reproducirse. Pero esa misma especialización permite un desempeño exitoso de cada órgano y una armoniosa manifestación de cada una de las funciones de los tejidos, órganos y sistemas para el completo bienestar y desarrollo del individuo. En el cuadro 2.29 puedes revisar las diferencias entre los sistemas unicelulares y pluricelulares. La principal diferencia entre los organismos unicelulares y los pluricelulares, consiste en que los unicelulares son capaces de realizar todas las funciones de un ser vivo con una sola célula. Los organismos pluricelulares tienen una diferenciación celular que deriva en tejidos, órganos y sistemas que realizan funciones específicas. Metabolismo 1. El metabolismo o conjunto de reacciones químicas que se realizan dentro de la célula permite que ésta haga todas sus funciones vitales. Existen dos tipos de reacciones metabólicas, las anabólicas, que son las que requieren energía, y las catabólicas, que la liberan. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 2. Durante las reacciones anabólicas o de construcción se transforman las sustancias sencillas en otras más complejas. Una de las reacciones anabólicas es la síntesis por deshidratación, durante la cual se forma un compuesto por la unión de moléculas sencillas con la liberación de una molécula de agua. La fotosíntesis es un ejemplo de reacción anabólica. 3I9EACC 3. Durante las reacciones catabólicas o de degradación se desdoblan las sustancias complejas en otras más sencillas. La hidrólisis, que es un proceso que se observa durante el catabolismo, consiste en la adición de moléculas de agua para degradar sustancias complejas. Este tipo de reacciones se presenta en funciones como la respiración celular. 4. La respiración celular es el proceso por el cual se rompen los enlaces químicos de la glucosa para obtener energía en forma de ATP. El proceso puede ser de dos tipos, aerobio y anaerobio. En la respiración aerobia se degrada la glucosa en presencia de oxígeno y se liberan 38 ATP. Esto ocurre en tres fases: a) glucólisis, b) ciclo de Krebs o del ácido cítrico y c) cadena de transporte de electrones. 5. La glucólisis es el paso preliminar de la respiración aerobia, no requiere oxígeno y se lleva a cabo en el citoplasma de la célula. Se realiza en dos fases: a) fase preparatoria, en la que se utilizan dos ATP para desdoblar la glucosa en dos moléculas de tres carbonos y se reducen dos moléculas de NAD a NADPH + H+; b) fase de producción de ATP, en la que se obtienen cuatro ATP, que genera una ganancia neta de dos ATP. Al final de la glucólisis se obtienen dos ácidos pirúvicos, 2 NADPH + H+, y dos ATP por cada molécula de glucosa desdoblada. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 133 Biología general 6. El destino de cada uno de los ácidos pirúvicos obtenidos durante la glucólisis depende de la presencia o ausencia de oxígeno. Cuando hay oxígeno continúa la respiración aeróbica con el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. Dichas reacciones se llevan a cabo en las mitocondrias de los organismos eucariontes o en el citoplasma de los procariontes. 7. Las reacciones más importantes del ciclo de Krebs son: a) descarboxilaciones (eliminación de CO2), b) oxidorreducciones (NAD a NADPH + H+; FAD a FADH2 )c) fosforilación a nivel de sustrato (ADP + Pi a ATP). La ecuación general del ciclo de Krebs, a partir de la acetil CoA, es: 2 acetil CoA + 6NAD + 2 FAD + 2 ADP + 2Pi c 6 NADPH + H+ + FADH2 + 2ATP + 4CO2 8. Las reacciones del sistema de la cadena de transporte de electrones constituyen la última y más importante etapa de la respiración aerobia. Este sistema utiliza los electrones y los protones liberados durante la glucólisis y el ciclo de Krebs para generar energía en forma de 34 ATP. Estos ATP, junto con los dos obtenidos en la glucólisis y los dos generados en el ciclo de Krebs, suman 38 ATP, derivados de la degradación de una molécula de glucosa en presencia de oxígeno. 9. Bajo condiciones anaeróbicas, la célula utiliza los ácidos pirúvicos provenientes de la glucólisis para obtener energía pero, a diferencia de la respiración aeróbica, el rendimiento energético de la fermentación es de sólo dos ATP por cada glucosa desdoblada. Los principales tipos de fermentación son: alcohólica y láctica. Las levaduras y algunas bacterias realizan fermentación alcohólica. Durante este proceso se produce bióxido de carbono y alcohol etílico, ambos productos son básicos para la industria panadera, vinícola y cervecera. 10. Algunas bacterias llevan a cabo fermentación láctica, cuyo producto final es el ácido láctico. Se observa un proceso similar en las células musculares cuando carecen de oxígeno debido al ejercicio intensivo. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 11. Una de las principales reacciones metabólicas es la nutrición o incorporación de sustancias nutritivas. Algunos seres vivos, como los autótrofos, elaboran sus propios nutrimentos; y otros, llamados heterótrofos, no los pueden sintetizar. 12. Dependiendo de su fuente de energía, los seres vivos pueden realizar nutrición autótrofa por fotosíntesis (organismos fotoautótrofos) o por quimiosíntesis (quimioautótrofos). Los fotoautótrofos son las plantas verdes, las algas y algunas bacterias que utilizan la energía luminosa para elaborar sus alimentos, a diferencia de los quimioautótrofos, como algunas bacterias, que emplean la energía de las reacciones químicas. 13. Los organismos heterótrofos se clasifican según el tipo de nutrimento que consumen: a) herbívoros, que se alimentan de plantas, b) carnívoros, alimento basado en la carne, c) omnívoros, que pueden nutrirse de cualquier tipo de alimento, d) saprobios, que se alimentan de materia orgánica en descomposición. 14. La mayoría de los seres vivos, incluyendo las plantas, utilizan la glucosa para obtener la energía que requieren. La glucosa se genera por medio de la fotosíntesis, proceso complementario de la respiración celular. Durante la fotosíntesis se presentan reacciones que requieren energía; y durante la respiración celular ocurren reacciones que liberan energía. Además, los productos finales de la fotosíntesis son la glucosa y el oxígeno, que son utilizados durante la respiración celular que, a la vez, produce CO2 y agua. Estos últimos compuestos son necesarios para que se realice la fotosíntesis. 15. La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas verdes, algas y algunas bacterias, convierten la energía del Sol en energía química aprovechable. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G134 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Durante este proceso la clorofila capta la energía solar y la transforma en energía química y algunos compuestos inorgánicos se transforman en compuestos orgánicos. Para ello, intervienen los siguientes factores: a) luz, b) cloroplastos, c) pigmentos, d) agua, e) bióxido de carbono. 16. Los cloroplastos son los organelos celulares encargados de la fotosíntesis y son de forma ovoide. Están formados por una región externa constituida por una doble membrana, y otra región interna, que presenta una matriz líquida o estroma, donde se localizan los tilacoides, grana e intergrana. El lumen es el canal interno de estas estructuras. 17. Los principales pigmentos de las plantas son: las clorofilas de color verde, los carotenos, xantofilas y antocianinas que producen otros colores. La clorofila y los otros pigmentos se localizan en los grana del cloroplasto, y su función es captar la energía luminosa. Se conocen dos formas de clorofila, a y b, ciertas diferencias estructurales y distintos espectros de absorción. 18. Las moléculas de agua en la fotosíntesis son la fuente de electrones, protones y del oxígeno que se libera a la atmósfera, mientras que el bióxido de carbono es la fuente de carbono para la formación de la glucosa. La fijación del CO2 no requiere de la presencia de luz. 19. Durante la fotosíntesis se presentan dos fases: a) fase luminosa, en la que la luz es necesaria y se realiza en los grana de los cloroplastos; b) fase oscura, que no requiere de luz y cuyas reacciones se realizaban en el estroma. La fase luminosa, a su vez, incluye reacciones no cíclicas y reacciones cíclicas. 20. Los fotosistemas I y II son los sitios donde se inicia la fase luminosa de la fotosíntesis. Un fotosistema está formado por: a) un centro de reacción, que tiene una molécula de clorofila a; b) una trampa energética, donde se encuentran moléculas de diversos pigmentos; c) un sistema de transporte de electrones formado por coenzimas que funcionan como moléculas acarreadoras. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 21. El fotosistema I absorbe la luz a una longitud de onda de 700 nm y su centro de reacción se conoce como P700. El fotosistema II absorbe la luz a una longitud de onda de 680 nm y su centro de reacción se denomina P680. 22. Las moléculas de clorofila y otros pigmentos forman las trampas energéticas, captan la luz continuamente y la transmiten hacia el centro de reacción donde se excita un electrón de la molécula de clorofila. El sistema de transporte de electrones está formado por coenzimas que capturan y transportan al electrón liberado del centro de reacción. La energía de los electrones fotoactivados se utiliza para concentrar protones durante la fosforilación del ATP y la reducción del NADPH + H+. 23. Las reacciones no cíclicas de la fase luminosa empiezan cuando el electrón del P680 del fotosistema II, excitado por la luz solar, pasa al sistema de transporte de electrones. Al mismo tiempo, ocurre la ruptura de la molécula de agua, generando electrones, protones y oxígeno. Posteriormente, el electrón es transportado hasta el P700 del fotosistema I. 24. Durante las reacciones no cíclicas del fotosistema II, la energía del electrón se utiliza para generar un gradiente y producir ATP. En el fotosistema I la energía del electrón se utiliza para reducir el NADP a NADPH. 25. En las reacciones cíclicas de la fase luminosa sólo participa el fotosistema I. Los electrones del P700 se utilizan para transportar protones y formar el gradiente quimiosmótico y producir ATP. 26. En la fase oscura de la fotosíntesis o ciclo de Calvin, ocurren las siguientes reacciones: 1) carboxilación, el bióxido de carbono se combina con RuBP (ribulosa difosfato); esta reacción es catalizada por la enzima rubisco y se 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 135 Biología general produce un compuesto de seis carbonos que, al separarse, forma dos moléculas de tres carbonos; 2) primera fosforilación, adición de fosfato a las moléculas de tres carbonos; 3) reducción, a cada molécula de tres carbonos se le resta un fosfato y se le adiciona un hidrógeno; 4) formación de glucosa, los productos de tres carbonos pueden seguir esta ruta o continuar el ciclo; 5) regeneración, las moléculas de tres carbonos se utilizan para formar el compuesto RuP (ribulosa fosfato); 6) segunda fosforilación, un ATP cede un fosfato a la RuP que se convierte en RuBP con lo que se reinicia el ciclo. 27. Los productos de la fase oscura son: a) glucosa, que se utiliza en la nutrición de la propia planta que la produce y de los seres vivos que se alimentan de ella; esta molécula también es el sustrato de la respiración celular; b) ADP y NADP que se reutilizan en la fase luminosa. 28. La quimiosíntesis es una forma de nutrición autótrofa, por la cual algunas bacterias quimioautótrofas producen compuestos orgánicos, a partir de compuestos inorgánicos y utilizan la energía que producen las reacciones químicas. 29. Los organismos unicelulares se diferencian de los pluricelulares en que los primeros son capaces de realizar todas las funciones de un ser vivo con una sola célula. En los organismos pluricelulares se observa una diferenciación celular que conlleva a la organización de tejidos, órganos y sistemas que realizan funciones específicas y, sólo en conjunto, permiten la funcionalidad del individuo. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Términos biológicos 3I9EACC acetil coenzima A ácido cítrico ácido láctico ácido nucleico ADN albúmina alcohol etílico almidón amilasa aminoácido anabolismo anticuerpo aparato de Golgi apoenzima ARN átomo ATP autótrofo biogenésico biomolécula bomba de sodio cadena de transporte carbohidrato carnívoro caroteno caseína catabolismo catalizador célula 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G136 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 celulosa centríolo ciclo de Calvin ciclo de Krebs cilios citología citosol clorofila cloroplasto coenzima cofactor colesterol coloide complejo enzimasustrato compuesto inorgánico compuesto orgánico cortisona cromatina cromoplasto cromosoma depredación descarboxilación desnaturalización difusión facilitada difusión simple disacárido elastina electrón I 7 = 2: B 0=E I9C elemento endocitosis envoltura nuclear enzima escleroproteína espectro de absorción esteroide estroma eucarionte exocitosis fagocitosis fase luminosa fase oscura fermentación fermentación alcohólica fermentación láctica fibrina flagelo fosfolípido fosfoproteína fosforilación fotoautótrofo fotosíntesis globulina glucógeno glucólisis glucosa glucosídico UNIDAD 2 miosina mitocondria moléculas acarreadoras monosacárido mosaico fluido neutrón niveles de organización de la materia nucléolo nucleoproteína nutrición omnívoro organelo ósmosis oxitocina pared celular partícula subatómica pentosa péptido permeabilidad selectiva peroxisoma pH pinocitosis plasmodesmo plasmólisis pluricelular polímero poro nuclear presión osmótica procarionte proteína conjugada proteína simple protón protoplasma queratina quimioautótrofo quimiosíntesis respiración anaerobia respiración celular retículo endoplásmico ribosoma saprobio saturado solución solución hipertónica solución hipotónica solución isotónica soluto solvente suspensión sustrato teoría celular tilacoide transporte activo transporte pasivo triglicérido tubulina unicelular vacuola vitaminas hidrosolubles vitaminas liposolubles 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= grana grasa neutra grupo prostético hemicelulosa hemoglobina herbívoro heterótrofo hexosa hidrofílico hidrofóbico hidrólisis histona holoenzima homeostasis huso acromático insulina intergrana isótopo lactasa levadura ligasa lípido lisosoma lumen materia membrana plasmática metabolismo mezcla heterogénea mezcla homogénea microfibrilla microtúbulo La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 137 Biología general 1. La hemoglobina contiene hierro, por lo que se le considera una proteína simple. 9. Los puentes de hidrógeno forman enlaces muy fuertes que sólo pueden romper enzimas hidrolíticas. 2. El pH (potencial de hidrógeno) de una sustancia se indica en una escala de 0 a 14. 10. El glucógeno es la forma de almacenamiento de los carbohidratos en los animales. 3. Las mezclas son uniones de dos o más sustancias que, al combinarse químicamente, pierden sus propiedades individuales. 11. La velocidad de una reacción enzimática aumenta cuando se incrementa la temperatura. 12. Las vacuolas son organelos con doble membrana que producen proteínas. 4. Las células procariontes carecen de membrana nuclear. 5. Las reacciones catabólicas se caracterizan por transformar sustancias sencillas en otras más complejas sin gasto de energía. 13. El transporte pasivo no requiere gasto de ATP, pues las partículas pasan libremente por la membrana. 14. La homeostasis celular está regulada por la entrada y salida de sustancias a través de la membrana. 6. La glucosa es un combustible celular porque al degradarse libera oxígeno. 15. Durante la fase luminosa de la fotosíntesis se libera bióxido de carbono. 16. El proceso fotosintético se inicia en el fotosistema II. 8. Los organismos quimiosintéticos son capaces de producir sus propios alimentos. 1. Es la partícula subatómica responsable de la actividad química de un elemento: 2. La mayoría de las reacciones químicas que se presentan en los seres vivos ocurren en un pH: 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 7. Las reacciones de la cadena de transporte de electrones de la respiración celular, se realizan en la membrana interna de la mitocondria. 3. La sustancia sobre la cual actúa una enzima recibe el nombre de: 4. Los elementos químicos que constituyen a los seres vivos se denominan: 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G138 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 5. Los seis elementos químicos que conforman alrededor de 99% del peso de los organismos son: 6. Proceso por el cual al calentar una proteína cambia su estructura química: 7. Nombre de los monómeros que conforman a las proteínas: 8. Cuando el cofactor de una enzima es una molécula orgánica, recibe el nombre de , un ejemplo es . 9. Los ácidos nucleicos reciben el nombre de y 10. Las vitaminas hidrosolubles son . , y las liposolubles son 11. Región celular donde ocurren la mayoría de las reacciones metabólicas: 12. La célula puede sufrir plasmólisis, si se le coloca en una solución permite el movimiento de iones a través de las mem13. La bomba de branas durante el transporte activo. 14. La fase del metabolismo que requiere energía para la construcción de sustancias complejas es: 15. Nombre que recibe la respiración anaerobia 16. Número total de moléculas de ATP al final del proceso de respiración aerobia 18. En la fotosíntesis, a partir del agua, se obtiene 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 17. Fuente de energía de los organismos autótrofos 1. Las moléculas de un elemento se caracterizan, porque: a) están compuestas por átomos de dos elementos. b) sus átomos tienen enlaces covalentes. c) están integradas por átomos de un tipo. d) sus átomos son diferentes entre sí. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 139 Biología general 2. El carbono es un componente indispensable para la vida, porque: a) forma el bióxido de carbono, que es importante para la respiración. b) es el principal constituyente de las moléculas orgánicas. c) es el generador de impulsos nerviosos. d) participa en la transferencia de energía. 3. Las pentosas y las hexosas tienen importancia, porque: a) son constituyentes de los ácidos nucleicos y de los polisacáridos. b) conforman a la hemoglobina y a la insulina. c) forman parte de los citocromos. d) son el componente principal de los lípidos. 4. Los fosfolípidos son muy importantes desde el punto de vista biológico, porque: a) intervienen en el proceso de fosforilación del ATP. b) transportan sustancias dentro del retículo endoplásmico. c) catalizan las reacciones del metabolismo de las grasas. d) constituyen las membranas celulares. 5. Las vitaminas participan en los procesos metabólicos de las células porque: a) proporcionan la energía necesaria para las reacciones. b) aceleran la velocidad de las reacciones. c) son constituyentes de diferentes coenzimas. d) son nutrimentos esenciales para la vida. 6. La ósmosis ocurre cuando: a) hay una diferencia de concentración de agua de cada lado de la membrana. b) el ATP facilita el movimiento de sustancias, a través de una membrana semipermeable. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= c) las bombas de Na-K de las células cambian la estructura de las proteínas de la membrana. d) la cantidad de cloruro de sodio (sal) es igual, fuera y dentro de la célula. 7. Una diferencia entre el aparato de Golgi y los lisosomas es que: a) el aparato de Golgi produce proteínas y los lisosomas elaboran lípidos. b) los lisosomas contienen enzimas digestivas y el aparato de Golgi forma gránulos de secreción. c) el aparato de Golgi participa en la endocitosis y los lisosomas en la exocitosis. d) los lisosomas se encuentran adheridos a la membrana y el aparato de Golgi se encuentra en el núcleo. 8. El ATP es conocido como: a) molécula responsable de la herencia. b) la molécula universal de energía. c) el polipéptido que reduce la energía de activación. d) el polipéptido que une a los aminoácidos. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G140 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 9. Las enzimas catalizan una reacción, porque: a) aumentan su temperatura. b) mantienen constante el pH. c) aumentan la energía de reacción. d) disminuyen la energía de activación. 10. Las mitocondrias y cloroplastos son similares, porque: a) ambos producen energía. b) participan los dos en la fotosíntesis. c) los dos presentan crestas y tilacoides. d) ambos tienen doble membrana y ADN. 11. La pared celular tiene como función: a) impedir el paso de sustancias. b) permitir que las células se unan entre sí. c) dar sostén y rigidez a la célula. d) facilitar el transporte celular. 12. La función del retículo endoplásmico es: a) transportar sustancias en el interior de la célula. b) secretar sustancias de reserva. c) producir cromosomas circulares. d) digerir los organelos viejos. 13. Las proteínas de la membrana sirven para: a) proporcionar energía para las funciones celulares. b) dar sostén y forma a la célula. c) permitir el movimiento de la membrana celular. d) acarrear moléculas de un lado a otro de la membrana. 14. El metabolismo es importante para la célula, porque: 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= a) libera energía para realizar el transporte. b) le permite realizar sus funciones vitales. c) se forman compuestos complejos a partir de simples. d) son reacciones que requieren de energía. 15. La glucólisis ocurre en: a) el citoplasma y en ausencia de oxígeno. b) el citoplasma, si hay suficiente oxígeno. c) la membrana interna de la mitocondria. d) las crestas mitocondriales. 16. Los electrones y protones que se liberan durante el ciclo de Krebs, siguen la ruta de: a) la respiración anaeróbica. b) la fermentación en presencia de oxígeno. c) la glucólisis en organismos procariontes. d) la cadena de transporte de electrones. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 141 Biología general 17. La fotosíntesis y la respiración celular son procesos complementarios, porque: a) en la fotosíntesis ocurren reacciones que liberan energía y en la respiración celular se presentan reacciones que la necesitan. b) la respiración celular libera bióxido de carbono y glucosa que se utilizan en el proceso fotosintético. c) durante la fotosíntesis se produce glucosa, que es una molécula necesaria para la respiración celular. d) la respiración celular ocurre en la mitocondria y la fotosíntesis en los tilacoides del cloroplasto. Piensa y contesta en tu cuaderno 1. Enumera cuatro características exclusivas de las enzimas. 2. ¿Qué características físicas presentan los coloides y cuál es su importancia en los seres vivos? 3. Elabora una lista de las vitaminas hidrosolubles y las liposolubles. Anota qué otro nombre reciben. 4. Escribe qué le sucedería a una célula si careciera de carbohidratos. 5. Explica la función y localización de los siguientes compuestos: celulosa, glucógeno, almidón, sacarosa, glucosa, grasas neutras, fosfolípidos y esteroides. 6. Escribe cinco diferencias entre células procariontes y eucariontes. 7. Escribe dos semejanzas y dos diferencias entre mitocondrias y cloroplastos. 8. Explica la importancia del núcleo en el funcionamiento de la célula. 9. ¿Cuál es la función de las bombas de calcio en las células nerviosas? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 10. Explica las semejanzas y diferencias entre la endocitosis y la exocitosis. 11. Ejemplifica, con ayuda de reacciones químicas, la síntesis por deshidratación y la hidrólisis. 12. Anota las reacciones químicas que muestran la relación complementaria entre respiración celular y fotosíntesis. 13. ¿Cómo se desglosa la ganancia neta de ATP en la respiración aerobia desde la glucosa hasta que se obtiene CO2 y H2O? 14. ¿Cuáles son los productos de la fermentación alcohólica y en qué se utilizan? 15. ¿Cuáles son las diferencias entre el fotosistema I y el II? Explica ampliamente. 0 G IA? P 16. Describe las ventajas de la fotosíntesis para los seres vivos. 3I9EACC 17. Explica qué es la quimiosíntesis, indicando algunos tipos de organismos que la realizan y su importancia. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G142 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 1. Explica por qué es necesario que los jugos gástricos sean ácidos. 2. ¿Cómo se puede explicar que el coloide que forma el citoplasma pueda estar cambiando de sol a gel? 3. ¿Por qué es más fácil disolver algunas sustancias, como la sal, en agua hirviendo que en agua fría? Considera los puentes de hidrógeno que unen a las moléculas del agua. 4. Explica qué proporcionaría más energía a una célula: un monosacárido o un disacárido. Fundamenta tu respuesta. 5. Supón que los grupos hidrofóbicos (colas hidrocarbonadas) de los fosfolípidos estuvieran orientados hacia fuera de las membranas, ¿qué sucedería con la entrada y salida de agua en la célula? 6. Investiga por qué se utiliza el aminoácido fenilalanina en los refrescos dietéticos. 7. Jerarquiza, en orden de importancia, las funciones que desempeñan las proteínas en el organismo. Argumenta tu respuesta. 8. Explica qué consecuencias tienen en la actividad enzimática los siguientes cambios para los seres humanos: a) si la temperatura corporal se eleva por encima de 40 ºC, b) si la temperatura corporal es menor de 34 ºC. 9. Explica qué pasaría en nuestro planeta si el proceso fotosintético no se realizara. 10. Si cubriéramos las hojas de una planta para reducir el proceso de fotosíntesis, ¿qué efecto tendría a nivel de respiración celular? 11. Consulta la forma de las neuronas y discute qué relación guarda su forma con su función. 12. Explica por qué las células procariontes no forman organismos pluricelulares. 13. Selecciona ocho organelos celulares y haz una analogía de cada uno de ellos con algún sistema u órgano del cuerpo humano. 15. Un método para conservar los alimentos consiste en colocarlos en altas concentraciones de sal o de azúcar. Relaciona este método con el fenómeno de la ósmosis y comenta por qué no se desarrollan bacterias u hongos en estos alimentos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 14. Considerando las características de mitocondrias y cloroplastos, explica por qué estos organelos pudieron haberse originado de células procariontes. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 143 Biología general Arma tus conocimientos 1. Completa el siguiente mapa conceptual que muestra la clasificación de los compuestos químicos esenciales para los seres vivos. Elementos biogenésicos constituyen Compuestos inorgánicos los principales son se clasifican en Agua No nitrogenadas como como Ácidos nucleicos Carbohidratos Un ejemplo es Un ejemplo es r cofactor r ácidos nucleicos r nucleótido r polipéptidos r enzimas r fosfato r azúcar r vitaminas r proteínas r ARN r compuestos orgánicos r ADN P 2. Utiliza los siguientes términos para elaborar un mapa conceptual sobre los compuestos orgánicos nitrogenados. r inorgánico r no nitrogenados r apoenzima 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Esteroide r ATP r unión de aminoácidos r liposolubles r hidrosolubles r base nitrogenada 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G144 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 3. Completa el mapa conceptual con los siguientes términos: Pared celular, nucléolo, agua, ribosomas, aparato de Golgi, retículo endoplásmico, proteínas, mitocondrias, cromosomas, núcleo, membrana celular, citosol. Elementos celulares Límite externo Citoplasma (sólo en plantas) Organelos contiene Contiene 4. Utiliza los siguientes conceptos para elaborar, en forma individual, un mapa conceptual referente a la nutrición. rOVUSJDJÓOBVUÓUSPGB rGBTFPTDVSB rGBDUPSFTRVFTFOFDFTJUBO rBHVB rQJHNFOUPT rQSPEVDUPT rRVJNJPTÎOUFTJT rGPUPTÎOUFTJT rGBTFMVNJOPTB rHMVDPTB rOVUSJDJÓOIFUFSÓUSPGB rDMPSPQMBTUPT rPYÎHFOP rCJÓYJEPEFDBSCPOP rMV[ I= =IM= rGFSNFOUBDJÓOMÃDUJDB rHMVDÓMJTJT rGFSNFOUBDJÓOBMDPIÓMJDB rSFTQJSBDJÓODFMVMBS rDJDMPEF,SFCT rCJÓYJEPEFDBSCPOP rDBEFOBEFUSBOTQPSUFEFFMFDUSPOFT rBHVB r"51 0 G IA? P rHMVDPTB 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? 5. Forma un equipo para elaborar un mapa conceptual que muestre la secuencia en la que intervienen los siguientes factores y procesos en la respiración celular. La Biología en tu comunidad 1. Formen equipos y organicen una visita a una fábrica de su comunidad donde se elaboren quesos. r Observen el proceso de fabricación, poniendo especial atención en: el sustrato utilizado, las enzimas requeridas, las condiciones de temperatura, pH y tiempo y el producto obtenido. r Elaboren un informe de su visita y coméntenlo en el salón de clases. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 145 Biología general 2. Organiza una visita al supermercado y revisa el contenido de carbohidratos y grasas de 10 alimentos procesados. Compara el contenido de grasas de tres alimentos dietéticos (bajo contenido calórico) y tres no dietéticos. Compara tus observaciones con el contenido nutricional de los alimentos naturales. 3. Organizados en equipos, visiten los centros de salud de su comunidad y consulten cuáles son los principales microorganismos causantes de enfermedades en la población. Muestren los resultados de su investigación en un periódico mural. 4. Organiza una visita con tu equipo a una panadería que hornee pan de levadura. Pidan que les muestren todo el proceso, poniendo especial atención en la temperatura y fuente de energía, así como en el volumen de la masa al inicio y al final del proceso. Relacionen la información obtenida con el proceso de fermentación alcohólica, elaboren un reporte y expónganlo ante el grupo. Pueden sustituir la visita a la panadería, por una visita a una cervecería o empresa vinícola cercana a su localidad. 5. Por equipos, investiguen qué políticas se siguen en su comunidad para incrementar o conservar las áreas verdes (pulmones de la ciudad). Discutan si son suficientes y describan los efectos de tales políticas en el mejoramiento del ambiente. Relacionen sus conclusiones con los eventos que suceden durante la fotosíntesis. Descubre y comprueba 1 Laboratorio 2.1 ¿Cuál es el pH de algunas sustancias comunes? Lee antes de empezar Los seres vivos llevan a cabo las reacciones químicas, por lo general, en un pH neutro. El pH (potencial de iones hidrógeno) indica el grado de acidez o alcalinidad de una sustancia. Las sustancias con pH mayor de 7 son básicas o alcalinas y menor a siete son ácidas. Objetivo Determinar el pH de algunas sustancias comunes. y2VÊTFOFDFTJUB 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= r5JSBJOEJDBEPSBEFQ) 3I9EACC r3FGSFTDPEFDPMB r"HVBEFMBMMBWF r"HVBQVSJàDBEB r3FGSFTDPEFNBO[BOB r$IBNQÙ r"HVBFTUBODBEB r-JNQJBEPSDPNFSDJBMEFIPSOPT r-FDIF r-JNQJBEPSDPOBNPOJBDP r1JDBOUFMÎRVJEP TBMTBPDIBNPZ r4BOHSF r4BMJWB r$BGÊ r¦DJEPNVSJÃUJDP r-JNQJBEPSDPODMPSP r7JOBHSF r-BODFUBFTUÊSJM r+VHPEFMJNÓO r'SBTDPTPUVCPTEFFOTBZP Sigue los pasos 1. Coloca una muestra de cada uno de los líquidos (excepto sangre) en diferentes frascos o tubos de ensayo. 2. Introduce en cada muestra una tira indicadora de pH diferente. Observa el cambio de coloración. 3. Compara el cambio de coloración obtenida con el cuadro indicadora de pH, incluido por el fabricante de la tira indicadora. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G146 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 4. Para tomar la muestra de sangre, haz una punción con una lanceta estéril en tu dedo índice. Deja caer unas gotas sobre la tira indicadora de pH y registra los resultados en el siguiente cuadro. Sustancia Cambio de coloración pH Ácida o básica Refresco de cola Agua de la llave Agua purificada Refresco de manzana Champú Agua estancada Limpiador comercial de hornos Picante líquido (salsa o chamoy) Limpiador con amoniaco Leche Saliva Café Sangre Limpiador con cloro Vinagre Ácido muriático Jugo de limón y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Con base en tus resultados, clasifica las sustancias probadas en ácidas o básicas. 2. ¿A qué atribuyes la diferencia de pH en los distintos tipos de agua? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 3. ¿Qué efecto tiene en la salud el consumo frecuente de sustancias muy ácidas? Descubre y comprueba 2 Laboratorio 2.2 Carbohidratos en los alimentos 0 G IA? P A. Lee antes de empezar Los carbohidratos son la fuente de energía que el organismo utiliza para realizar todas las funciones metabólicas. En los alimentos se presentan como azúcares compuestos (polisacáridos). Cuando están en forma de polisacáridos el organismo necesita degradarlos para poder utilizarlos. Objetivo Identificar diferentes alimentos que contienen carbohidratos (azúcares simples). 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 147 Biología general y2VÊTFOFDFTJUB r 10 ml de jugo natural de uva o de naranja (filtrado) r 1.4 g de sulfato de cobre r 40 ml de agua r 5 g de ácido tartárico r 5 g de potasa cáustica (en caso de no conseguirla se prepara con: ceniza de leña a la que se agrega agua hirviendo, se filtra y el filtrado contiene potasa cáustica). r 3 frascos o matraces r Etiquetas r Marcador r Mechero r Pinzas Sigue los pasos 1. Etiqueta dos frascos (No. 1 y No. 2) y prepara las siguientes soluciones: a) Solución 1. Mezcla el sulfato de cobre con 20 ml de agua. b) Solución 2. Mezcla el ácido tartárico y la potasa cáustica con 20 ml de agua. Si no tienes potasa cáustica, mezcla el ácido tartárico y 5 ml de filtrado de ceniza con 15 ml de agua. 2. En otro frasco mezcla 0. 5 ml de cada una de las soluciones 1 y 2. Debe quedar una solución de color azul fuerte y sin grumos como se muestra en la siguiente figura. 3. Calienta y agita la solución del frasco 3 hasta el punto de ebullición. 4. Agrega por gotas el jugo de fruta hasta que el reactivo cambie de color. Anota tus observaciones. 5. Añade más jugo contando las gotas y anota tus observaciones. Agregar sulfato de cobre 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Agregar ácido tartárico potasa cáustica mezclar 5 ml sol.1 5 ml sol. 2 0 G IA? P 20 ml agua Solución 1 Solución 2 y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Cómo cambió la solución al agregar el jugo de fruta? 2. ¿A qué se pueden atribuir los cambios de color de la solución? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G148 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos B. Polisacáridos Lee antes de empezar Objetivo Escribe una introducción y un objetivo para este ejercicio. Revisa cuidadosamente la lista de materiales y los pasos a seguir para que redactes la sección Lee antes de empezar y la de Objetivo con tus propias palabras. y2VÊTFOFDFTJUB r "MNJEÓO r$BSOF r 1FEB[PEFQBO r5JOUVSBEFZPEP r 1MÃUBOPNBEVSP rWBTPT r 1MÃUBOPWFSEF r.BSDBEPS r 1BQBDSVEBZDPDJEB r$VDIBSB r "SSP[DSVEPZDPDJEP r(PUFSP r Cereal Sigue los pasos: 1. Vierte en cada vaso agua hasta la mitad. 2. Añade en uno de los vasos una cucharada de almidón. 3. Agrega dos gotas de yodo a los dos vasos. Anota tus observaciones. 4. Incorpora dos gotas de yodo a las diferentes porciones de alimento. 5. Registra en un cuadro tus observaciones (color y presencia de almidón). 6. Reconoce la presencia o ausencia de almidón con base en las diferencias observadas en los vasos siguiendo los pasos 1 a 3. almidón yodo 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= yodo 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 149 Biología general ¿2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Qué pasó con el almidón al añadirle el yodo? 2. ¿Cómo se puede explicar la diferencia en tonalidades del yodo con los diferentes alimentos? 3. ¿Cuál de los alimentos utilizados contiene mayor proporción de almidones? Descubre y comprueba 3 Laboratorio 2.3 Características de polisacáridos y lípidos Lee antes de empezar La función de las biomoléculas está relacionada con su composición química. Algunos polisacáridos, como el almidón, sirven como reserva de energía en los tejidos vegetales. Los lípidos también proporcionan energía, actúan como hormonas (esteroides) y forman parte de las membranas celulares (fosfolípidos). Objetivos r Identificar el almidón en las plantas. r Determinar la solubilidad de algunos lípidos. r 3 vasos de precipitado de 100 ml r 1 probeta de 50 ml r Pinzas para vasos r 12 tubos de ensayo (1.5 x 10 ml) r 1 vaso de precipitado de 200 ml r Pinzas para tubos r 1 recipiente para baño María r 20 ml de cloroformo r 200 ml de alcohol I= =IM= r Gasa r Reactivo de lugol o tintura de yodo r Marcador o lápiz graso r 4 hojas de malvón o geranio r Manteca, glicerina, aceite vegetal 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? y2VÊTFOFDFTJUB Sigue los pasos A. Para identificar el almidón 1. Coloca dos hojas de malvón o geranio en un vaso de 100 ml. Agrega 10 gotas de lugol o yodo y deja que actúe 20 minutos. Anota tus observaciones. 2. Coloca el vaso de 200 ml (vacío) a baño María hasta que se caliente. Retíralo del fuego y agrega 150 ml de alcohol. 3. Introduce otras dos hojas de malvón o geranio en el alcohol durante 15 minutos. 4. Retira las hojas del alcohol, colócalos en el otro vaso de 100 ml y procede igual que en el inciso número 1. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G150 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos UNIDAD 2 B. Para identificar la solubilidad de los lípidos 1. Numera los tubos de ensayo del 1 al 12. 2. Coloca en cada uno de los tubos marcados lo siguiente: Media cucharadita de 5 ml de 1 manteca agua 2 manteca alcohol 3 manteca cloroformo 4 glicerina agua 5 glicerina alcohol 6 glicerina cloroformo 7 aceite vegetal agua 8 aceite vegetal alcohol 9 aceite vegetal cloroformo 10 mantequilla agua 11 mantequilla alcohol 12 mantequilla cloroformo 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Tubo # Observaciones Registra tus observaciones. 0 G IA? P y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Qué diferencias encontraste entre las hojas tratadas con alcohol caliente y las que no lo fueron, al agregar lugol o yodo? Explica tu respuesta. 2. En la prueba de solubilidad, ¿qué sustancias se disolvieron en agua y cuáles en cloroformo? 3. Relaciona el tipo de enlace químico de las grasas (lípidos saturados) y el de los aceites (lípidos insaturados) con su solubilidad. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 151 Biología general Descubre y comprueba 4 Laboratorio 2.4 Identifica proteínas, enzimas y vitaminas Lee antes de empezar Para comprender el funcionamiento celular es necesario estudiar el papel que desempeñan las biomoléculas, como proteínas, enzimas y vitaminas. Las proteínas, moléculas formadas por aminoácidos, participan en diferentes reacciones de los organismos: protección contra enfermedades, coagulación de la sangre, reserva nutritiva, etcétera. Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas. Una célula produce muchas enzimas, cada una específica de una reacción particular. Las vitaminas son sustancias orgánicas necesarias para nuestro organismo en pequeñas dosis y su carencia provoca ciertas enfermedades. Algunas vitaminas funcionan como coenzimas. Objetivo r Observar las reacciones características de las proteínas. r Examinar la actividad enzimática. r Determinar el contenido de vitaminas en los alimentos. A. Observación de algunas reacciones características de las proteínas y2VÊTFOFDFTJUB r Clara de dos huevos r 1 vaso o frasco de vidrio r 1 cuchara grande metálica r Ácido nítrico o muriático Sigue los pasos 2. Coloca dos cucharadas de clara de huevo en un frasco o vaso y agrega con cuidado 10 gotas de ácido nítrico o muriático. Anota tus observaciones 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. Coloca una pequeña cantidad de clara de huevo en una cuchara metálica. Observa su consistencia. Caliéntala sobre un mechero y anota tus observaciones. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G152 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Completa el siguiente cuadro de observaciones: Sustancia Observaciones Clara de huevo (antes de calentar) Clara de huevo (después de calentar) Clara de huevo con ácido 2. ¿Cuál fue el efecto de la temperatura sobre la consistencia, color y olor de la clara de huevo? 3. ¿Cuál fue el efecto del ácido sobre la consistencia, color y olor de la clara de huevo? 4. Consulta el nombre de la proteína que contiene la clara de huevo. ¿Es una proteína simple o conjugada? ¿Qué función desempeña en nuestro organismo? B. Observación de la actividad enzimática 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= y2VÊTFOFDFTJUB r NMEFBHVBPYJHFOBEB r#JÓYJEPEFNBOHBOFTPFOQPMWP r 6OQPDPEFBSFOBàOB r6OUSP[PEFIÎHBEPEFSFT r UVCPTEFFOTBZP r1JO[BTQBSBUVCPEFFOTBZP r NFDIFSPEF#VOTFO rBTUJMMBTEFNBEFSB r 1 mortero Sigue los pasos 1. Con un lápiz graso, enumera 5 tubos de ensayo del 1 al 5. En el tubo 1 vierte agua oxigenada hasta que alcance una altura de 2 cm, aproximadamente, y agrega un poco de arena fina. Cierra un tubo con el dedo pulgar; y agita vigorosamente: anota tus observaciones. Coloca una astilla de madera incandescente en la boca del tubo y registra tus observaciones. 2. En el tubo 2 vierte agua oxigenada (hasta 2 cm) y agrega un poco de bióxido de manganeso, que es un catalizador inorgánico. Agita el contenido, observa y coloca la astilla incandescente. Registra tus observaciones. 3. En el tubo 3 vierte agua oxigenada (2 cm). Corta un trozo de hígado de res y agrégalo al tubo. Agita el contenido, observa y haz la prueba de la astilla incandescente. 4. Coloca en el mortero un poco de arena fina y un pequeño trozo de hígado; tritúralo. En el tubo 4 vierte agua oxigenada (2 cm) y agrega el material molido. Agita el contenido, observa y haz la prueba de la astilla incandescente. 5. Coloca otro trozo de hígado en un tubo de ensayo con agua y hiérvelo durante 2 minutos en el mechero. En el tubo 5 vierte agua oxigenada (2 cm) y agrega el material hervido. Agita el contenido, observa y haz la prueba de la astilla incandescente. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 153 Biología general y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Completa el siguiente cuadro de observaciones: Material Observaciones Arena Bióxido de manganeso Hígado en trozo Hígado molido Hígado hervido 2. Interpreta los resultados explicando a qué se deben las diferencias observadas en cada uno de los tubos. 3. El hígado de res contiene la enzima catalasa que descompone el agua oxigenada. Consulta y escribe la reacción que ocurre en presencia de dicha enzima. 4. Moler o hervir el hígado, ¿causa algún efecto sobre la actividad enzimática? Explica tu respuesta. C. Determinación del contenido de vitamina C en distintos alimentos y2VÊTFOFDFTJUB r 16 tubos de ensayo rPipetas o goteros r Mechero de Bunsen rSolución de ácido ascórbico a 10% r Solución de indofenol a 0.1% rJugo de limón fresco r Pinzas para tubos de ensayo rJugo de naranja 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Sigue los pasos 1. Coloca 15 gotas de solución de indofenol en un tubo de ensayo. Agrega gota a gota la solución de ácido ascórbico. Agita el tubo ligeramente después de agregar cada gota. Continúa agregando ácido ascórbico hasta que el indofenol, que es azul, cambie a incoloro. Anota el número de gotas necesarias para producir el cambio de color. Este tubo será el “control”, en el que se demuestra que el indofenol se vuelve incoloro en presencia de la vitamina C. 2. Toma tres tubos y vierte 15 gotas de indofenol en cada uno. Añade gota a gota, un jugo diferente a cada tubo hasta que cambie el color del indofenol. Registra el número de gotas necesarias en cada caso. 3. Toma otros tres tubos de ensayo y agrega una pequeña cantidad de cada tipo de jugo. Hiérvelos durante un minuto. Comprueba el contenido de vitamina C con el indofenol como en el paso anterior. 4. Toma tres tubos más y agrégales una pequeña cantidad de cada tipo de jugo. Déjalos expuestos al aire durante 20 minutos. 0 G IA? P 5. Comprueba el contenido de vitamina C en los jugos que se dejaron expuestos al aire. y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Elabora un cuadro con tus observaciones. 2. Según tus resultados, ¿en qué alimento se encuentra mayor cantidad de vitamina C? 3. ¿Qué concluyes respecto al efecto del calor sobre el contenido de vitamina C? 4. ¿Qué efecto tiene la exposición al aire sobre la vitamina C? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G154 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Descubre y comprueba 5 Laboratorio 2.5 ¿Son diferentes las células? Lee antes de empezar La gran diversidad en las formas de vida está relacionada con la función que cada organismo desarrolla en la naturaleza. Asimismo, las diferentes células del cuerpo tienen formas que le permiten realizar diversas funciones. Objetivo Observar los distintos tipos de células 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= y2VÊTFOFDFTJUB r Planta de Elodea o de musgo r1 microscopio r Jitomate (tomate rojo) rAceite de inmersión r Frasco con agua de florero o estanque r5 portaobjetos r Frasco gotero con agua r5 cubreobjetos r Frasco gotero con solución de yodo r5 etiquetas r 1 lanceta estéril o aguja esterilizada r1 marcador r 1 palillo de dientes Sigue los pasos 1. Coloca en un portaobjetos una hojita de Elodea o de musgo. Agrega unas gotas de agua y coloca el cubreobjetos. Etiqueta la preparación con la palabra: “Hoja”. 2. En un portaobjetos coloca una porción de la “piel” del jitomate. Añade unas gotas de agua y coloca el cubreobjetos. Etiqueta la preparación con la palabra: “Epidermis”. 3. Utilizando la lanceta o la aguja, pincha alguno de tus dedos de la mano izquierda. Coloca la gota de sangre en el portaobjetos. Cubre la preparación con el cubreobjetos y etiquétala con la palabra: “Sangre”. Déjala secar para poder observarla. 4. En otro portaobjetos coloca unas gotas de agua estancada. Cubre la preparación con el cubreobjetos y etiquétala con la palabra “Microbios”. 5. Observa las preparaciones con el microscopio. Utiliza primero el objetivo de bajo poder para enfocar y después los de mayor aumento. 6. Vierte unas gotas de solución de yodo sobre un portaobjetos. 7. Utilizando un palillo, haz un raspado de la mucosa de la parte interior de tu mejilla para desprender células epiteliales. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 155 Biología general 8. Coloca y mueve la punta del palillo en el portaobjetos con yodo para depositar las células. 9. Cubre la preparación con el cubreobjetos y etiquétala como: “Células bucales”. y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿A qué se deberá la gran variedad de formas de los microorganismos? 2. ¿En qué se diferencian las células vegetales de las animales? 3. ¿Cuántos tipos de células sanguíneas reconoces? 4. De acuerdo con tus observaciones relaciona la forma de las células con la función que desempeñan. 5. ¿Para qué se usó la solución de yodo? 6. Elabora un esquema de cada una de las células que observaste. Descubre y comprueba 6 Laboratorio 2.6 A. Laboratorio en tu casa. Calabacitas que crecen Objetivo Determinar el efecto de diferentes concentraciones salinas sobre los tejidos vegetales. y2VÊTFOFDFTJUB r DBMBCBDJUB r4BM r WBTPT r"HVBEFMBMMBWF r $VDIJMMPPOBWBKB r"HVBQVSJàDBEB r -ÃQJ[EFDFSBPDJOUBiNBTLJOHu r3FHMB r Cuchara Sigue los pasos 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 1. Lava y seca perfectamente la calabacita. 2. Corta cuatro rodajas de calabacita de aproximadamente 5 mm de grosor. Registra el diámetro, color y textura de cada rodaja. Si te es posible toma una foto de ellas. 3. Etiqueta los vasos como sigue: poca sal (1), mucha sal (2), agua purificada (3) y agua de la llave (4). 4. Agrega agua purificada hasta la mitad de los vasos 1, 2 y 3. Añade agua de la llave hasta la mitad del vaso número 4. 5. Coloca un cuarto de cucharadita de sal en el vaso número 1. En el vaso número 2 agrega cuatro cucharaditas de sal. Disuelve por completo. 6. Coloca una rodaja de calabacita en cada vaso. Tapa y deja reposar durante 24 horas. 7. Después del tiempo indicado retira las rodajas de calabacita, mide los diámetros y compara el color y la textura con las observaciones iniciales. y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Qué diferencias encontraste en el diámetro, color y textura de las rodajas de calabacita en cada solución al final del experimento? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G156 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos 2. Relaciona tus observaciones con las concentraciones salinas utilizadas y el transporte celular. 3. Dibuja las rodajas de calabacitas de cada tratamiento. B. Laboratorio en tu casa. Pasas infladas Objetivo Observar los efectos de la ósmosis. y2VÊTFOFDFTJUB r Vaso con agua r 10 a 12 pasitas de uva o 5 de ciruela pasa r Regla Sigue los pasos 1. Mide las pasitas y anota los datos. 2. Coloca las pasas en el vaso con agua. Déjalas toda la noche. 3. Saca las pasitas remojadas y mídelas nuevamente. Anota los resultados. 4. Promedia los resultados de la primera medición. 5. Promedia los resultados de la segunda medición. 6. Compara los resultados y anota las diferencias. 7. Dibuja la apariencia al inicio y al final del experimento. y2VÊEFTDVCSJTUF 1. Registra tus resultados. 2. ¿Qué les sucedió a las pasas? Fundamenta tu respuesta. Descubre y comprueba 7 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Laboratorio 2.7 Respiración vegetal Lee antes de empezar La respiración celular es el proceso mediante el cual la energía almacenada en la glucosa u otros compuestos orgánicos se transforma en energía útil (ATP) que empleará la célula para realizar sus funciones metabólicas. Durante la respiración celular la glucosa se combina con el O2 y se forma CO2 y H2O. Objetivo Comprobar el fenómeno de la respiración celular mediante la liberación de CO2 y H2O. P r WBTPTEFWJESJP r&NCVEPPDPMBEPSEFNBMMBàOB 0 G IA? y2VÊTFOFDFTJUB r KBSSB rDVDIBSB r CPMTBTEFQMÃTUJDPUSBOTQBSFOUF r-JHBT r "HVB r ¶YJEPEFDBM r Papel filtro 3I9EACC rQMBOUBFOVOBNBDFUB rDBKBTEFDBSUÓO 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 157 Biología general Sigue los pasos 1. Vierte dos vasos de agua en la jarra. Agrega un poco de óxido de cal para formar una solución de color blanco. Disuelve completamente y filtra la solución con ayuda del papel filtro y el embudo o con el colador. Observa la siguiente figura. 2. Llena cada vaso hasta 3/4 de su capacidad con el agua de cal. 3. Coloca un vaso dentro de la bolsa de plástico y ciérrala herméticamente con la liga. 4. Coloca el otro vaso y la maceta dentro de la segunda bolsa de plástico. También ciérrala herméticamente, como se muestra en la siguiente figura. 5. Toma nota de las características de los vasos, las bolsas y la planta. P y2VÊEFTDVCSJTUF 1. ¿Qué cambios observaste en el agua de cal de los 2 vasos? ¿A qué lo atribuyes? 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 6. Cubre cada bolsa de plástico con una caja y deja transcurrir 24 horas. Después, registra los cambios observados en los vasos, las bolsas y la planta. 2. ¿Qué diferencias encontraste en las paredes internas de las bolsas? ¿A qué lo atribuyes? 3. ¿Cuál es la finalidad de cubrir las bolsas con la caja de cartón? 4. ¿Qué demuestra este experimento? 5. ¿Qué pasaría si dejaras la planta indefinidamente dentro de la bolsa? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G158 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Descubre y comprueba 8 Laboratorio 2.8 A. ¿Qué gas se libera durante la fotosíntesis? Lee antes de empezar Los organismos que realizan fotosíntesis cumplen una doble función en el ecosistema, pues son los productores de alimento y de oxígeno. Objetivo Comprobar la producción de oxígeno durante la fotosíntesis. y2VÊTFOFDFTJUB r Planta acuática (Elodea, utilizada en las peceras) o un manojo de espinacas frescas picadas finamente al momento de la actividad r 2 vasos de precipitado de 500 ml r 2 embudos r 2 tubos de ensayo r Plastilina r 1 astilla de madera de unos 10 cm de largo r 2 cucharadas de bicarbonato de sodio Sigue los pasos 1. Agrégale a cada vaso agua y una cucharada del carbonato ácido de sodio. Introduce algunas porciones de la planta. 2. En el borde de cada embudo, coloca pedacitos de plastilina entre el borde y el vaso. 3. Sumerge un embudo en cada vaso de manera que cubra a la planta. 4. Llena cada tubo de ensayo de agua. Elodea o espinaca picada 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Agua 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E Plastilina 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 159 Biología general 5. Tapa el tubo con el dedo para que el agua no se derrame y sumérgelo en el vaso, cubriendo la parte angosta del embudo. Evita la entrada de aire al tubo para que quede lleno de agua. 6. Marca los vasos con los números 1 y 2. Coloca el vaso número 1, en un lugar donde reciba luz directa del Sol o debajo de una lámpara con foco de 100 watts. 7. Coloca el vaso número 2 en un lugar oscuro. 8. Después de 24 horas, registra tus observaciones. 9. Prende la astilla al rojo vivo, pero sin flama. Saca cuidadosamente el tubo del vaso número 1, evitando la salida del gas. Introduce en el tubo la astilla encendida. ¿Qué descubriste? 1. ¿Qué diferencias observaste entre los dos vasos después de 24 horas en las dos condiciones? 2. ¿En cuál de los dos vasos se llevó a cabo fotosíntesis? Justifica tu respuesta. 3. ¿Qué hay dentro del tubo del vaso número 1? 4. Explica lo que sucede al introducir la astilla en el tubo del vaso número 1. B. Luz y fotosíntesis Lee antes de empezar Para que las reacciones químicas se lleven a cabo se requiere de energía. La fotosíntesis es un proceso que comprende un conjunto de reacciones químicas. La fuente de energía para el proceso fotosintético es la luz del Sol. Objetivo Comprobar que se necesita luz para que se realice la fotosíntesis. r 1 planta de geranio en maceta r Cuadros de cartón negro, de unos 10 cm de lado r 4 clips r Hilos de colores 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= ¿Qué se necesita? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G160 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 2 La célula: Unidad estructural y funcional de los seres vivos Sigue los pasos 1. Selecciona tres hojas de la planta y márcalas con hilo de diferente color, cuidando de no dañarlas. 2. Cubre una de las hojas con dos cuadros de cartulina, utilizando los clips para sostenerlos. 3. Cubre otra hoja con otros dos cuadros. Haz una ranura de aproximadamente 2 cm en el cuadro que cubre el haz de la hoja. 4. Deja al descubrimiento la tercera hoja. 5. Deja en completa obscuridad la maceta durante el día. 6. Después de 24 horas coloca la maceta al Sol por ocho horas. Corta las tres hojas y retira los cuadros de cartulina. ¿Qué descubriste? 1. ¿Qué le sucedió a la hoja que estaba cubierta por completo? 2. ¿Qué observaste en la hoja parcialmente cubierta? 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 3. ¿Cuáles son las diferencias de la hoja sin cubrir con respecto a las otras dos? ¿A qué atribuyes esas diferencias? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 161 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 3 Procesos para la continuidad de la vida 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C ¡Echa un vistazo a lo que aprenderás! ¿Cuáles son los mecanismos que utiliza una célula para reproducirse? ¿Qué diferencias existen entre la reproducción sexual y la asexual? ¿Cómo se aplica la genética en la solución de problemas de la sociedad? ¿En qué consisten las leyes de Mendel? ¿Qué relación existe entre los cromosomas y la determinación del sexo? ¿Qué sucede cuando se presentan alteraciones en los cromosomas o en los genes? ¿Qué función tienen el ADN y el ARN en la 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= continuidad de la vida? 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Biología general INTRODUCCIÓN Puesto que los organismos no viven para siempre, han recurrido a la autoperpetuación, proceso que incluye la reproducción y la herencia para asegurar que la especie sobreviva aun cuando el organismo individual haya muerto. La reproducción es el mecanismo mediante el cual los organismos generan otros seres vivos del mismo tipo. El mecanismo más sencillo, llamado reproducción asexual, se presenta en los organismos unicelulares, como las bacterias, y ocurre cuando el ser vivo simplemente se divide en dos y los nuevos individuos son una copia idéntica del progenitor. La mayoría de los organismos recurren a mecanismos más complejos, como la reproducción sexual, en la cual células especializadas se unen para dar origen al nuevo individuo. En este caso, los descendientes contienen una combinación de las características de ambos progenitores. Ya sea mediante mecanismos asexuales o sexuales los seres vivos se reproducen según las instrucciones indicadas por la información genética, de manera que los descendientes tendrán todas o algunas de las características de los padres. El proceso por el cual determinados rasgos o características se transmiten de padres a hijos recibe el nombre de herencia y la rama de la Biología que estudia la herencia es la Genética. La herencia explica los mecanismos por los cuales ocurren modificaciones genéticas en los individuos y en las poblaciones. Algunas modificaciones permiten que los seres vivos se adapten a los cambios ambientales y sobrevivan. Mientras mayor variación genética exista, mayor será la probabilidad de adaptación y supervivencia. Conforme sobrevivan más y más individuos y se autoperpetúen, la población gradualmente va cambiando a través de muchas generaciones hasta que surge una nueva especie. Este proceso recibe el nombre de evolución y constituye una de las bases de la biodiversidad. La biodiversidad (bio, vida; diversitas, variedad), también llamada diversidad biológica, se refiere a la amplia variedad de seres vivos que existen en la Tierra. La biodiversidad comprende la variedad de ecosistemas y las diferencias genéticas dentro de cada especie que dan lugar a múltiples formas de vida y a las interacciones que presentan los seres vivos entre sí y con el entorno. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= En esta unidad estudiarás los diferentes procesos de reproducción, tanto a nivel de la célula como la reproducción asexual y la sexual. Asimismo, revisarás el proceso de fecundación y algunos aspectos del desarrollo embrionario. También comprenderás la importancia de la genética y analizarás los trabajos de Gregorio Mendel. Estudiarás, además, algunas alteraciones genéticas y las moléculas responsables de la herencia, como al ADN y el ARN. 3.1 REPRODUCCIÓN CELULAR ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS Para comprender los procesos de la reproducción celular debemos revisar la estructura de los cromosomas, que son filamentos de ADN que contienen a los genes. En las células eucariontes los cromosomas se encuentran en el interior del núcleo que, cuando la célula no se está dividiendo, forman una red llamada cromatina. Al inicio de la división celular los hilos de la cromatina se enrollan y se condensan en filamentos cortos formando los cromosomas, que se presentan en 1 de 2 formas, cromosomas duplicados o cromosomas sencillos, estos últimos llamados también cromosomas hijos. Los cromosomas son filamentos condensados de ADN que contienen a los genes. La cromatina es una red compleja de material genético formada por cadenas largas de ADN. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G164 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Procesos para la continuidad de la vida Los cromosomas duplicados, por lo general, tienen forma de X y están constituidos por dos brazos, cada uno de los cuales representa la mitad longitudinal del cromosoma. Los brazos están unidos por una estructura llamada centrómero, y las dos mitades, idénticas entre sí, reciben el nombre de cromátidas hermanas (fig. 3.l). Figura 3.1 Centrómero Cromosoma duplicado UNIDAD 3 Durante la reproducción celular, los cromosomas duplicados se dividen longitudinalmente y cada cromátida hermana se separa, constituyendo un cromosoma hijo (fig. 3.2). La duplicación de los cromosomas a partir de cromosomas hijos se realiza cuando la célula no se está dividiendo. Cromosomas duplicados. Están formados por dos brazos idénticos entre sí, unidos por un centrómero. Figura 3.2 Cromosoma La teoría celular establece que uno de los atributos fundamentales de las células es que se originan por división de células preexistentes mediante un proceso llamado división celular. Sin embargo, este proceso es sólo una parte del ciclo de vida de cualquier célula. Un ciclo es por definición interminable, así el ciclo celular es una repetición de crecimiento y división celular. Cromátidas hermanas La división celular es el proceso por el cual una célula se divide para formar dos células nuevas. El ciclo celular es el conjunto de periodos por los que la célula atraviesa a lo largo de su vida. Centrómero Cromosomas hijos. Cada cromátida hermana corresponde a un cromosoma hijo. Figura 3.3 G2 G1 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= M Ciclo celular. En el ciclo celular se reconocen tres etapas de crecimiento; G1, S y G2, conocidas como interfase y una etapa de división celular o mitosis, M. S 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 165 Biología general Cuadro 3.1 Fases del ciclo celular Ciclo celular Fase de la división celular Fase M Interfase o periodo de crecimiento celular y de duplicación del ADN Fase G1 Fase S Fase G2 Como se observa en la figura 3.3, en general, toda célula tiene esencialmente dos periodos en su ciclo, la interfase, y el periodo de división celular. Durante la interfase, la célula crece y no se produce división celular, razón por la cual esta etapa también es llamada fase de reposo, aunque en realidad la célula está activa en todo momento. La interfase es el periodo entre las divisiones celulares durante la cual la célula se nutre, crece y duplica sus cromosomas. La interfase se puede dividir en tres etapas: G1, S y G2, que a continuación describiremos. En el cuadro 3.1 se muestran las fases del ciclo celular. En cada fase del ciclo celular se presentan los siguientes procesos característicos (fig. 3.4). r 'BTF.Es la fase de división celular por mitosis, proceso que explicaremos con detalle más adelante. r 'BTF(1. Periodo caracterizado por el crecimiento de la célula hija. Es una fase muy activa en la cual la célula adquiere nutrimentos del medio y sintetiza gran cantidad de las proteínas necesarias para su crecimiento. En G1, cada cromosoma consta de una sola molécula de ADN (cromosomas hijos). r 'BTF4Durante esta fase, o fase de síntesis, se duplica o sintetiza el ADN, esto significa que al final del proceso cada cromosoma está formado por dos cromátidas (cromosomas duplicados). r 'BTF (2. En esta fase se incrementa la síntesis de proteínas y la célula se prepara para pasar a la fase M. Las fases G1 y G2 (del inglés gap) se denominan así porque constituyen un intervalo entre una y otra división celular. Figura 3.4 Fase M 80-145 min Metafase 15-20 min Anafase 5 min Telofase 50-90 min Profase 30-60 min G2 (intervalo) 6h G1 (intervalo) 5h Interfase Fases del ciclo celular. La duración de cada fase del ciclo celular de una célula de tejido conjuntivo varía de 5 minutos hasta 8 horas. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Síntesis 8h 3I9EACC FLASH Cada segundo mueren alrededor de 50 millones de células del cuerpo humano; durante este periodo se produce la misma cantidad de células nuevas que las reemplazan. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G166 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 La duración total del ciclo celular depende del tipo de célula, aunque cerca de 90% de su vida transcurre en interfase y 10% del tiempo lo ocupa en realizar la mitosis. Los ciclos celulares más cortos corresponden a las células embrionarias humanas, que completan su periodo de vida cada 30 minutos, y algunas bacterias, como E. coli, que lo realizan en sólo 20 minutos. En estos casos, las fases G1 y G2 son muy breves. Por el contrario, otras células, como las neuronas del ser humano, pueden permanecer en la fase G1 durante toda su vida. En la división celular por mitosis ocurren dos procesos: la cariocinesis, o división nuclear, y la citocinesis, o división citoplasmática. Durante la cariocinesis se presentan cuatro fases consecutivas: a) profase, b) metafase, c) anafase, d) telofase, al final de ésta ocurre el proceso de citocinesis. Antes de describir cada fase de la mitosis, recordemos que una célula eucarionte presenta membrana nuclear, nucléolo, centríolo y ADN en forma de delgados filamentos de cromatina (fig. 3.5). Todas estas estructuras se modifican durante la mitosis. I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida FLASH Figura 3.5 Cada tipo de célula humana tiene un tiempo de vida diferente. Nucléolo Tipo de célula Tiempo de vida Del estómago 2 días Del intestino 3 días Glóbulos blancos 2 semanas Glóbulos rojos 4 meses Del hígado 7 meses Centríolo Cromatina Neuronas Membrana nuclear 60 años Célula eucarionte. Observa las estructuras celulares que participan activamente en la mitosis. Los demás organelos se omiten en esta figura porque no intervienen directamente en los procesos de división celular. MITOSIS 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Las células se reproducen por dos mecanismos: mitosis y meiosis. La mitosis la realizan todas las células y representa la fase M del ciclo celular. La meiosis sólo la realizan las células sexuales. Cuando una célula se divide por mitosis da origen a células hijas que poseen información genética idéntica a la célula original. Como ya hemos mencionado, las células tienen un número determinado de cromosomas en su núcleo. Por ejemplo, las células humanas tienen 46 cromosomas y, cuando se reproducen por mitosis, conservan este número. Esto se debe a que en la fase S del ciclo celular cada cromosoma se duplica, preparándose para la mitosis. La mitosis es un proceso mediante el cual una célula se divide, dando origen a dos células hijas con el mismo número de cromosomas que la célula original. Fases de la mitosis r 1SPGBTF En esta etapa la célula tiende a adoptar una forma esférica. La cromatina se condensa, de manera que se hacen visibles los cromosomas; cada uno de éstos está compuesto por dos filamentos en espiral llamados cromátidas, unidos por un centrómero, es decir, son cromosomas duplicados (fig. 3.6). Durante la profase en las células animales los centríolos localizados en el citoplasma se mueven a polos opuestos de la célula, formando entre ellos los filamentos del huso acromático. El huso está compuesto por una serie de microtúbulos especializados que se unen en los extremos, quedando una 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 167 Biología general Figura 3.6 Cromatina Cromosomas formados por dos cromátidas Profase temprana. La cromatina se condensa en cromosomas, cada uno formado por dos cromátidas. estructura de forma ovoide que cruza la célula de polo a polo. Además, en cada polo de la célula se observa una estructura llamada áster (con forma de estrella), constituida por una serie de microtúbulos cortos que irradian desde el par de centríolos. Las células vegetales carecen de centríolos y áster, pero sí presentan huso acromático. Al final de la profase, el nucléolo y la membrana nuclear se desintegran (fig. 3.7). Durante la profase se hacen visibles los cromosomas, desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo y se forma el huso acromático. r .FUBGBTF Los cromosomas, constituidos cada uno por dos cromátidas, se ordenan en la parte media del huso acromático formando una placa ecuatorial (fig. 3.8). Los cromosomas se unen a las fibras del huso por medio del centrómero. Esta etapa, que dura de l5 a 20 minutos, es la más favorable para observar al microscopio el número de cromosomas celulares, su morfología y dimensiones. Figura 3.7 Centríolos Polo de huso Membrana nuclear Cromosomas duplicados P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 0 G IA? a) b) Nucléolo c) Filamentos del huso acromático Eventos de la profase. a) Los cromosomas se observan como filamentos en el núcleo. b) Los centríolos emigran a los polos y se forma el huso acromático. c) Desaparece la membrana nuclear y el nucléolo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G168 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Figura 3.8 Cromosomas formados por una cromátida Placa ecuatorial Metafase Anafase Eventos de la metafase y anafase. Metafase. Los cromosomas forman la placa ecuatorial. Anafase. Los cromosomas hijos se dirigen a polos opuestos. r "OBGBTF Los cromosomas se separan por sus centrómeros y las cromátidas, llamadas ahora cromosomas hijos (formados por una sola cromátida) se dirigen a polos opuestos de la célula. Hasta el momento no se conoce con precisión cómo se mueven las cromátidas, pero se piensa que los microtúbulos que forman las fibras del huso acromático se desintegran, haciendo que las fibras se acorten y así “arrastren” a las cromátidas correspondientes. La anafase es muy rápida, por lo general dura entre 3 y 4 minutos (fig. 3.8). r 5FMPGBTFEs la fase final de reconstrucción de los dos núcleos hijos, reintegrándose nuevamente la membrana nuclear y el nucléolo. Los cromosomas hijos se alargan y vuelven a su forma de filamentos de cromatina y desaparece el huso acromático. La telofase es lenta y puede durar de 50 a 90 minutos (fig. 3.9). Figura 3.9 a 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Estrangulamiento Células hijas P b 0 G IA? Telofase y citocinesis. a) Se forman dos células hijas por estrangulamiento en las células animales. En las células hijas se reconstruyen los núcleos y los cromosomas se transforman en cromatina. b) En las células vegetales se forman las dos células hijas por tabicación. Células hijas Placa celular 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 169 Biología general Figura 3.10 Interfase: Los cromosomas no son visibles; ocurre la replicación del ADN; la célula se prepara para dividirse; los centríolos se replican. Profase: Los centríolos migran a polos opuestos; se forma el huso acromático; los cromosomas se hacen visibles ya que se condensan; la membrana nuclear y el nucléolo se dispersan. Metafase: Los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula. Nota la unión de los centrómeros a las fibras del huso. Anafase: Los centrómeros se dividen; los cromosomas formados por un filamento se mueven a los polos opuestos. P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Telofase: El citoplasma se divide; los cromosomas se vuelven no visibles; la membrana nuclear y el nucléolo reaparecen. 0 G IA? Células hijas: Se forman células hijas idénticas, se mantiene la información genética. Eventos de la mitosis. Observa cómo se distribuyen los cromosomas durante la interfase y las cuatro fases de la mitosis. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G170 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Citocinesis Al final de la telofase se realiza el proceso de citocinesis, es decir, la división del citoplasma en dos partes que se reparte en las dos células hijas. En las células animales la citocinesis ocurre por estrangulamiento de la célula, esto es, se estrecha del centro hasta que se divide en dos. En los vegetales se produce una placa celular o tabique en la región ecuatorial del huso. Esta placa se origina por la unión de vesículas del complejo de Golgi (fig. 3.10). El proceso de mitosis concluye con la formación de dos células hijas, cada una de la mitad de tamaño de la célula madre y con igual número de cromosomas que ésta, pero cada cromosoma consta de una sola cromátida. Durante la profase se observan los cromosomas y los centríolos emigran a los polos para formar el huso acromático. En la metafase, los cromosomas, formados por doble filamento, se acomodan en el ecuador del huso. En la anafase, los cromosomas, formados por un solo filamento, se mueven hacia los polos opuestos. En la telofase, desaparece el huso y reaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. Finalmente, en la citocinesis, la célula se divide, formando dos células hijas. Figura 3.11 Todos los procesos de crecimiento, reparación de tejidos, desarrollo y reemplazo de células muertas que ocurren en los seres vivos pluricelulares son posibles gracias al mecanismo de la mitosis. Además, en organismos unicelulares, la mitosis equivale a su mecanismo de reproducción. La división celular por mitosis garantiza que cada nueva célula reciba el mismo número y tipo de cromosomas de la célula progenitora; si no ocurriera esto, el individuo pudiera mostrar diversas anomalías, o bien, la célula sería incapaz de sobrevivir. En la figura 3.10 se resumen los principales eventos que se presentan en la mitosis. MEIOSIS Células madre o progenitores diploides 46 D 46 D 23 D 46 H 46 H Células hijas diploides a) Mitosis 23 H 23 D 23 H Clave D: Cromosomas duplicados H: Cromosomas hijos 23 H 23 H Células hijas haploides b) Meiosis Número cromosómico en la mitosis y meiosis humanas. a) Durante la mitosis se conserva el mismo número de cromosomas. b) Durante la meiosis el número cromosómico se reduce a la mitad. Sabemos que la función del óvulo es unirse con el espermatozoide para formar un nuevo organismo. Si un óvulo humano tuviera 46 cromosomas, al unirse con un espermatozoide, también con 46, se produciría un individuo con 92 cromosomas, que no podría sobrevivir. Esto no sucede, pues existe un tipo especial de división celular, exclusivo de las células sexuales, conocido como meiosis. En la figura 3.11 podemos comparar el cambio en el número de cromosomas que ocurre en la mitosis y en la meiosis. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Importancia biológica de la mitosis 3I9EACC La meiosis es un tipo de división celular que da lugar a células hijas que poseen la mitad del número de cromosomas correspondiente a la célula original. Es decir, de una célula diploide (con el número completo de cromosomas) se originan células haploides (con la mitad del número cromosómico). 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 171 Biología general La meiosis es un tipo de reproducción que forma células haploides y sólo se realiza en tejidos reproductores, esto es, en células que darán origen a óvulos y espermatozoides en animales o a granos de polen y óvulos en vegetales. El proceso meiótico se lleva a cabo durante la gametogénesis, que da origen a los gametos, células especializadas con un número haploide de cromosomas. Por ejemplo, en los seres humanos, a través de la gametogénesis, se forma el óvulo con 23 cromosomas que, al unirse con un espermatozoide, también con 23 cromosomas, originará un nuevo organismo con 46 cromosomas, que es el número característico de la especie. Cuadro 3.2 Fases de la meiosis Profase I Metafase I Primera división meiótica Anafase I Telofase I Profase II La meiosis se efectúa por medio de dos divisiones nucleares que se suceden rápidamente, llamadas primera y segunda divisiones meióticas, cada una, a su vez, consta de cuatro fases (cuadro 3.2) que describiremos a continuación. Metafase II Segunda división meiótica Anafase II Telofase II Primera división meiótica Profase. Al igual que en la mitosis, en esta fase, que es la más larga, la cromatina se condensa y se hacen visibles los cromosomas, cada uno con dos cromátidas; aparece el huso acromático y se desintegran la membrana nuclear y el nucléolo. Sin embargo, a diferencia de lo ocurrido en la mitosis, en la profase I se efectúan dos procesos denominados sinapsis y entrecruzamiento de cromosomas homólogos. Figura 3.12 Cromosoma paterno Cromosoma materno Durante la profase I de la meiosis, los cromosomas homólogos se acercan y se aparean, es decir, se unen por algunos puntos a lo largo de los filamentos. El apareamiento de cromosomas homólogos se conoce como sinapsis. Durante esta etapa los pares de cromosomas homólogos reciben el nombre de tétradas, porque cada par de cromosomas está formado por cuatro cromátidas. Después de ocurrida la sinapsis, sucede el fenómeno llamado entrecruzamiento, que consiste en el rompimiento de segmentos de cromosomas homólogos que de inmediato se intercambian. Una vez realizado el entrecruzamiento de genes cada nuevo cromosoma será mixto, ya que el cromosoma de origen paterno tendrá un segmento de genes de origen materno y viceversa. Observa este proceso en la figura 3.12. Cromosoma Cromosoma paterno materno recombinado recombinado Entrecruzamiento. Observa cómo se intercambian algunos segmentos de los cromosomas homólogos para dar origen a unos recombinados. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Los cromosomas que tienen la misma forma, tamaño e información se llaman cromosomas homólogos. En las células humanas diploides existen 23 cromosomas aportados por el padre, los cuales son homólogos a los 23 aportados por la madre. 3I9EACC Durante la profase I de la meiosis desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo; se hacen visibles los cromosomas y aparece el huso acromático. Se realiza la sinapsis o apareamiento de cromosomas homólogos, posteriormente, se lleva a cabo el entrecruzamiento, durante el cual se intercambian segmentos de cromosomas de origen paterno y materno. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G172 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Figura 3.13 Profase I Metafase I Anafase I Principio de telofase I Eventos de la primera división meiótica. El entrecruzamiento es un proceso biológico muy importante porque permite la recombinación de la información genética. Esto origina descendientes con características diferentes, dando como resultado la variabilidad. r .FUBGBTF*Los cromosomas homólogos (tétradas) se acomodan en el ecuador del huso acromático. r "OBGBTF * Cada miembro del par homólogo (cromosoma formado por dos cromátidas) se aleja a polos opuestos del huso (fig. 3.13). r 5FMPGBTF*Los cromosomas llegan a los polos y se reconstruyen los dos núcleos hijos; desaparece el huso y reaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. Al final de la telofase, durante la citocinesis, el citoplasma se divide, dando origen a dos células con un número de cromosomas haploide, cada uno constituido por dos cromátidas. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= En la metafase I de la meiosis los cromosomas homólogos se alinean en el ecuador de la célula; durante la anafase I, cada cromosoma, formado por doble filamento, se dirige a polos opuestos del huso. En la telofase I se reconstruyen los dos núcleos hijos, desaparece el huso y el citoplasma se divide, dando origen a dos células hijas haploides con cromosomas duplicados. Segunda división meiótica Entre la primera y la segunda división meiótica se presenta una breve interfase durante la cual no hay síntesis de ADN. A continuación describiremos las fases correspondientes a la segunda división en la meiosis (fig. 3.14) en la que se observan similitudes con la mitosis. 3I9EACC r 1SPGBTF**En cada una de las células hijas los cromosomas se hacen aparentes al condensarse la cromatina en el núcleo; aparece el huso y desaparece la membrana nuclear. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 173 Biología general Figura 3.14 b) Metafase II a) Profase II c) Anafase II d) Telofase II 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Fases de la segunda división meiótica. a) Profase II. b) Metafase II. c) Anafase II. d) Telofase II. r .FUBGBTF**Los cromosomas (ahora ya no en pares) se acomodan en el ecuador del huso. r "OBGBTF**Los cromosomas se dividen por su centrómero en dos cromátidas, llamadas ahora cromosomas hijos (formados por una cromátida), que emigran a cada uno de los polos de la célula. r 5FMPGBTF**Los cromosomas hijos llegan a los polos opuestos. Cada célula se divide dando origen a dos células hijas, por lo que se producen cuatro células haploides, cada una con la mitad del número de cromosomas. Durante la profase II los cromosomas se hacen visibles, aparece el huso acromático y desaparece la membrana nuclear. En la metafase II, los cromosomas (formados por doble filamento), se alinean en el centro del huso para después separarse por sus centrómeros y, en la anafase II, los cromosomas hijos, formados por un solo filamento, se dirigen a polos opuestos de la célula. Al final de la telofase II se han formado cuatro células haploides. Importancia biológica de la meiosis De lo expuesto anteriormente, podemos deducir que la meiosis es un mecanismo de división celular que se lleva a cabo en las células reproductoras y cuya importancia se resume en los siguientes aspectos. En primer lugar, la meiosis es un proceso que permite mantener constante el número de cromosomas característico de la especie, debido a que produce gametos haploides. Durante la fecundación, se unen los gametos sumando sus cromosomas, restableciéndose el número cromosómico original. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G174 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Figura 3.15 MEIOSIS I MEIOSIS II Interfase: Los cromosomas no son visibles; ocurre la replicación del ADN; los centríolos se duplican. Profase I: Se forma el huso; los cromosomas se hacen visibles; los cromosomas homólogos se unen; ocurre el entrecruzamiento. Gametos Metafase I: Los pares de cromosomas (tétradas) se alinean en el ecuador del huso. Telofase II Anafase II (Los centrómeros se dividen) Telofase I: Las células hijas llevan información genética diferente; el número de cromosomas está dividido a la mitad. Profase II Interfase: La segunda división meiótica ocurre de manera semejante a la mitosis. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Anafase I: Los centrómeros no se dividen; los pares de cromosomas (maternos y paternos)se separan y se dirigen a los polos. Fases de la meiosis. Observa los eventos de la primera y de la segunda división meiótica. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 175 Biología general Figura 3.16 Por otro lado, el proceso de entrecruzamiento que sucede en la profase I de la meiosis, permite la recombinación de los cromosomas paternos y maternos, lo cual se traduce en que dos gametos, aunque provengan de un mismo progenitor, nunca son idénticos en cuanto a su información genética y por esta razón en una misma familia los hermanos son diferentes. Desde un punto de vista más amplio, el entrecruzamiento genético propicia en la naturaleza una gran variabilidad en las especies. En la figura 3.15 se esquematizan en forma general los eventos ocurridos durante la meiosis. a APOPTOSIS La información genética que programa el ciclo celular que hemos revisado también desencadena la muerte de las células. La muerte celular programada, llamada apoptosis, es parte del desarrollo de los tejidos de plantas y de animales y no debe confundirse con la necrosis, o muerte celular, ya que ésta ocurre como resultado de un daño a la célula por infecciones o por accidentes, como quemaduras, radiaciones y traumas. Durante la necrosis, la muerte no ocurre de forma ordenada: el núcleo no presenta cambios visibles, pero las mitocondrias aparecen dañadas, además, el agua y los iones se acumulan en el citoplasma, causando que la célula se hinche y se rompa, lo cual derrama el contenido celular al tejido. Por el contrario, cuando la muerte ocurre de forma programada, como durante la apoptosis, no se presenta un panorama caótico. El proceso se inicia con la activación de las caspasas, enzimas que desencadenan los eventos de muerte celular: el núcleo y la célula se encogen y, en algunos casos, se fragmentan, de manera que son fácilmente englobadas mediante fagocitosis y sus componentes son reutilizados (fig. 3.16). La característica principal de la apoptosis es que es silenciosa, es decir, no se produce el derrame del contenido celular y, por tanto, no existe inflamación ni lesión del tejido. 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Existen dos tipos de señales que determinan el inicio de la apoptosis, las internas y las externas. b r Señales internas. Están implicadas las membranas de las mitocondrias, del retículo endoplásmico y de la envoltura nuclear. r Señales externas. Se refieren principalmente a los receptores del factor de necrosis tumoral (TNF) que se encuentran en la superficie de la célula; cuando éstos son estimulados, activan las caspasas que inician el proceso de muerte celular. 0 G IA? P El estudio de las señales que inician la apoptosis tiene especial relevancia en el desarrollo del cáncer. En la sección Conoce más puedes revisar cómo una molécula sintetizada en el laboratorio puede inducir el proceso de autodestrucción celular en algunos tipos de células cancerosas. Apoptosis. Durante la muerte celular programada la célula apoptótica a) se encoge y se fragmenta, de manera que sus partículas son fácilmente fagocitadas b). 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G176 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Conoce más Crean una molécula que induce al suicidio a las células cancerígenas Un equipo de científicos del Howard Hughes Medical Institute, de Chase, Maryland, Estados Unidos, creó en el laboratorio una molécula capaz de inducir al “suicidio” a las células cancerígenas en ratones vivos. Aunque el estudio se encuentra en los primeros estadios de investigación, los científicos consideran que este procedimiento podría utilizarse para tratar otras enfermedades, como desórdenes neurológicos o enfermedades autoinmunes. Célula apoptótica Glóbulo blanco 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Célula apoptótica fagocitada por leucocitos (glóbulos blancos) del sistema inmunológico. 3I9EACC En el cuerpo humano, las células defectuosas o las que se han convertido en innecesarias durante el crecimiento y el desarrollo, son inducidas a autodestruirse gracias a un proceso muy equilibrado conocido como apoptosis. Con esto en mente, y bajo la dirección de Xiaodong Wang (del Centro Médico de la Universidad de Texas Southwestern), los investigadores del Instituto Howard Hughes desarrollaron una molécula que imita la actividad del segundo activador mitocondrial de las caspasas (Smac), una proteína que provoca la muerte programada de algunos tipos de células. De esta manera, consiguieron que la molécula artificial convirtiera señales de supervivencia de células enfermas en señales de muerte. En estudios previos, Wang y sus colaboradores descubrieron que la molécula desarrollada en el laboratorio podía matar a células cancerígenas en cultivos controlados, pero también se percataron de que las células sólo morían cuando la molécula sintetizada se introducía en los cultivos combinada con otro componente de la apoptosis, el factor de necrosis tumoral (TNF), una sustancia química liberada por las células del sistema inmune que interviene en varios procesos inmunológicos, como la inflamación y la destrucción articular derivada de la artritis reumatoide. En el nuevo estudio, el equipo de investigación encontró que algunas células que provocan el cáncer de pulmón eran sensibles al tratamiento de la Smac sintetizada, sin necesidad del TNF. Las pruebas fueron realizadas con ratones a los que se les había producido un tumor y los resultados fueron alentadores: la Smac artificial consiguió reducir los tumores e incluso, en algunos casos, los hizo desaparecer. El descubrimiento podría derivar en la creación de compuestos para tratamientos contra el cáncer de pulmón y otros tipos de cáncer que supondrían un tipo de terapia menos tóxica para las células sanas que la quimioterapia, utilizada en la actualidad. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 177 Biología general La reproducción celular 1. El ciclo celular es el conjunto de periodos por los que una célula atraviesa a lo largo de su vida. Abarca cuatro fases: la fase M es la etapa de división celular por mitosis, la fase G1 es el periodo de crecimiento de la célula y el ADN aún no está duplicado, la fase S es el periodo durante el cual la célula duplica su ADN y en la fase G2, la célula crece y se prepara para la siguiente división celular. 2. Existen dos tipos de división celular: la mitosis y la meiosis. Durante la mitosis la célula se divide, dando origen a dos células hijas con el mismo número de cromosomas que la célula original y ocurre en células no reproductoras. 3. La mitosis se compone de cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. Durante la profase se hacen visibles los cromosomas en el núcleo, cada uno compuesto por dos cromátidas; se desintegra la membrana nuclear y se forma el huso acromático. En la metafase los cromosomas se ordenan en el ecuador del huso. Durante la anafase los cromosomas se separan en cromátidas y cada una se dirige a polos opuestos de la célula. Por último, en la telofase se reconstruyen los núcleos hijos y tiene lugar la citocinesis, que es la división del citoplasma en dos. 4. La meiosis es un proceso por el cual una célula se divide, dando lugar a células hijas con la mitad del número de cromosomas que la célula original. La meiosis se lleva a cabo en células reproductoras. 5. La meiosis ocurre en dos etapas: primera y segunda divisiones meióticas; cada una consta de las cuatro fases en las que se divide la mitosis. La profase I es la fase más larga y, al igual que en la mitosis, los cromosomas se hacen visibles y aparece el huso acromático. Pero en esta fase, a diferencia de la mitosis, ocurren los fenómenos llamados sinapsis y entrecruzamiento. Durante la sinapsis los cromosomas homólogos (cromosomas iguales, uno de origen paterno y el otro materno) se acercan y aparean formando las tétradas. Posteriormente, se realiza el entrecruzamiento que consiste en el rompimiento e intercambio de segmentos de cromosomas homólogos. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= 6. En la metafase I los cromosomas homólogos se ordenan en el centro del huso. En la anafase I cada cromosoma se aleja a polos opuestos y en la telofase I se originan dos células hijas con la mitad del número de cromosomas, cada uno constituido por dos cromátidas. 7. Durante la segunda división meiótica ocurren los eventos de manera similar a los que se presentan en la mitosis. Al final se forman cuatro células hijas, cada una con la mitad del número de cromosomas, constituido, ahora, por una sola cromátida. 8. Los procesos de crecimiento y desarrollo de un organismo y la reparación de tejidos muertos se realizan por el fenómeno de mitosis. Por otro lado, el mantenimiento del número de cromosomas de las especies y la variabilidad en las características hereditarias de una población se dan como consecuencia del proceso de meiosis. 3.2 REPRODUCCIÓN INDIVIDUAL REPRODUCCIÓN ASEXUAL Como sabemos, un atributo exclusivo de los seres vivos es su función reproductora, es decir, todos los organismos al llegar a una etapa de su ciclo vital son capaces de procrear. Gracias a la reproducción, las especies se autoperpetúan. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G178 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida La reproducción es la capacidad que tienen los seres vivos de producir descendientes, haciendo posible la autoperpetuación de la especie. Existen dos tipos de reproducción: reproducción asexual y reproducción sexual. La reproducción asexual es aquella que se lleva a cabo sin necesidad de la unión de dos gametos o células especializadas y sólo participa un progenitor. Existen varios tipos de reproducción asexual que se presentan tanto en organismos unicelulares como pluricelulares (fig. 3.17). Los principales son los siguientes: r #JQBSUJDJÓOConsiste en la división de un organismo, o célula progenitora, en dos células hijas del mismo tamaño. A este tipo de reproducción también se le llama fisión o división binaria y se presenta en organismos unicelulares como bacterias, amibas, paramecios y numerosas algas (fig. 3.18). r (FNBDJÓOEs el proceso por el cual un nuevo organismo se origina a partir de una yema o brote que se forma en el organismo progenitor, luego, ese brote se separa del resto del organismo y crece hasta formar un nuevo individuo. En el caso de las levaduras, que son hongos unicelulares, la célula progenitora se divide en dos células hijas de diferente tamaño; la porción celular más pequeña es la que recibe el nombre de brote o yema. Los celenterados, como las hidras y corales, son seres pluricelulares que se reproducen por gemación (fig. 3.19). Figura 3.17 Bipartición o división binaria (FNBDJØO GPSNBDJØOEFVOBZFNBPCSPUF Esporulación o formación de esporas Yemas Reproducción asexual (sin unión de gametos) Multiplicación vegetativa Estolones Bulbos Estacas o acodos Partenogénesis Tipos de reproducción asexual. Figura 3.18 Vacuola digestiva a b 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= División múltiple o fragmentación Bipartición. Este tipo de reproducción asexual se presenta en a) ciliados y b) bacterias. Macronúcleo 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 179 Biología general Figura 3.19 Yema o brote Gemación. La gemación se presenta en organismos unicelulares como a) levaduras y en organismos pluricelulares como b) celenterados. Yema o brote a b Figura 3.20 r &TQPSVMBDJÓO Consiste en una serie de divisiones celulares que originan células llamadas esporas, las cuales permanecen cautivas por un tiempo, y después son liberadas al romperse la pared celular. Los hongos, musgos y helechos se reproducen por esporulación (fig. 3.20), aunque también, en otra etapa de su ciclo de vida, presentan reproducción sexual. Durante la esporulación las pequeñas células nuevas o esporas están envueltas en una membrana sólida que las protege de las influencias desfavorables del ambiente. Por esta razón, pueden soportar condiciones ambientales adversas como las altas y bajas temperaturas y la desecación. Esporulación de Rhizopus Microfotografía de Rhizopus 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Esporulación. Este mecanismo de reproducción asexual es común en hongos, como Rhizopus. r .VMUJQMJDBDJÓO WFHFUBUJWB Es una forma de reproducción en la cual algunas plantas superiores se pueden propagar a partir de estructuras especiales de la planta progenitora. Estas estructuras pueden ser hojas, tallos, tubérculos, bulbos, estacas, etcétera. Los jardineros y agricultores emplean esta propiedad para reproducir plantas de una manera más rápida que utilizando semillas. Como los descendientes son idénticos a los progenitores el empleo de esta práctica asegura el mantenimiento de características deseables en los cultivos. Una variante de la multiplicación vegetativa es la clonación. Entre los mecanismos de multiplicación vegetativa más comunes se encuentran los siguientes (fig. 3.21). r La aparición de ojitos o yemas en tubérculos como la papa. En condiciones idóneas, de cada yema puede originarse una nueva planta. r Las fresas se reproducen por medio de estolones que son tallos delgados que crecen a ras del suelo y poseen una yema. De cada estolón se puede desarrollar una nueva planta. r Si se siembra un diente de ajo en condiciones adecuadas, al cabo de un tiempo producirá una planta completa; esto es, se producen nuevos individuos por multiplicación vegetativa. Lo mismo sucede con bulbos como los de la cebolla y la gladiola. r Gran variedad de plantas como la vid, el rosal, la hiedra y el geranio, se pueden producir asexualmente mediante estacas o acodos. Por ejemplo, la propagación de la vid se realiza por medio de acodos y consiste en doblar algunas ramas y enterrarlas para que crezca una nueva planta. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G180 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Figura 3.21 Procesos para la continuidad de la vida a b c d Multiplicación vegetativa. Es un tipo de reproducción asexual que ocurre a partir de diferentes porciones de la planta: a) tubérculos como la papa, b) estolones como en la fresa, c) bulbos como en el ajo, d) acodos como en la vid. r %JWJTJÓO NÙMUJQMF Es un tipo de reproducción asexual que se presenta en algunos animales; consiste en la formación de un nuevo organismo a partir de la fragmentación y generación de las partes faltantes. Éste también es conocido como escisiparidad o fragmentación y se presenta en algunos equinodermos y gusanos. Por ejemplo, cuando una estrella de mar o una planaria Figura 3.22 I= =IM= a 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? b División múltiple. a) Si una estrella de mar se divide a la mitad, cada segmento regenera la parte faltante. b) La planaria es un gusano plano que se puede fragmentar en varios pedazos, cada uno de los cuales forma un nuevo organismo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 181 Biología general se divide en dos, cada parte regenera todos los órganos que le faltan, desarrollándose así dos individuos (fig. 3.22). Figura 3.23 r 1BSUFOPHÊOFTJT Este mecanismo de reproducción asexual se da en ciertos animales inferiores y algunos insectos; se caracteriza por la formación de un nuevo organismo a partir del desarrollo de un óvulo no fecundado. El caso más común de partenogénesis en la naturaleza es el de las abejas. Durante el vuelo nupcial, un macho deposita sus espermatozoides en la reina que posee cientos de óvulos, algunos de éstos resultan fecundados y producen las abejas hembras, pero otros no son fecundados y, sin embargo, se producen los machos o zánganos. Esto es, los zánganos constituyen la generación partenogenética (fig. 3.23). Partenogénesis. Los zánganos o machos de las abejas se originan a partir de óvulos no fecundados. Las principales modalidades de reproducción asexual son: bipartición, gemación, esporulación, multiplicación vegetativa, división múltiple o fragmentación y partenogénesis. REPRODUCCIÓN SEXUAL Los gametos son células especializadas para la reproducción, también se les conoce como células sexuales o reproductoras. Los gametos se forman por un proceso meiótico y tienen en su núcleo la mitad del número de cromosomas característico de la especie, por lo que reciben el nombre de células haploides. Por ejemplo, ya hemos mencionado que en el hombre el número diploide es 46 y los gametos poseen 23 cromosomas; en la mosca de la fruta, cuyo número cromosómico es 8, sus gametos presentan 4 cromosomas. En la mayoría de los organismos pluricelulares los gametos masculinos son los espermatozoides y los femeninos son los óvulos (fig. 3.24). La reproducción sexual se presenta en la mayoría de los seres vivos, incluyendo plantas, animales y el hombre. En la reproducción asexual interviene un progenitor y no se necesitan gametos. En la reproducción sexual participan gametos y, por lo general, dos progenitores. Los gametos (óvulos y espermatozoides) son células haploides especializadas para la reproducción. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La reproducción sexual es la que se logra por medio de la unión de dos gametos o células especializadas para la reproducción y, por lo general, participan dos progenitores. Cada uno de los dos tipos de reproducción presenta ventajas adaptativas. Los organismos con reproducción asexual tienen una alta velocidad de propagación, por lo que en poco tiempo se incrementa el número de individuos. La reproducción 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G182 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Figura 3.24 Cola: permite el desplazamiento ESPERMATOZOIDE Cabeza: contiene el núcleo Mitocondria: produce energía Núcleo Zona pelúcida ÓVULO Citoplasma 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Gametos o células reproductoras humanas. Observa las partes del espermatozoide (cabeza, mitocondria y cola) y del óvulo (núcleo, citoplasma y zona pelúcida), así como la relación del tamaño de ambas células. 3I9EACC asexual, además, proporciona una seguridad para la supervivencia, especialmente en especies que necesitan mantener un gran número de individuos. Al no existir el apareamiento, basta con un individuo aislado para que se origine una población numerosa. Sin embargo, al participar sólo un progenitor, existe la desventaja de que no hay intercambio genético y, al haber un defecto, éste puede transmitirse a toda la descendencia. Por otro lado, los seres vivos que presentan reproducción sexual se propagan de manera más lenta, pero al participar dos progenitores y darse un intercambio de material genético se produce una descendencia parecida, más no idéntica a los progenitores. El intercambio genético propio de la reproducción sexual representa una ventaja que se traduce en una mayor facilidad de adaptación a diferentes medios. Así, por ejemplo, en el caso de que en algún individuo que se reproduzca de manera sexual haya algún defecto, éste no necesariamente se transmite a todos los descendientes. Además, si una célula tiene una dotación genética que le faculta para adaptarse a un medio A y en otra célula la información hereditaria facilita su adaptación al medio B, el intercambio de su material genético propiciará que la descendencia de ambas células pueda adaptarse a los medios A y B. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 FLASH El número de cromosomas es una característica constante de cada especie. Algunos ejemplos son: Mosca de la fruta 8 Chícharo 14 Cebolla 16 Hombre 46 Chimpancé 48 Amiba 50 Perro 78 Magnolia 114 El intercambio genético que ocurre durante la reproducción sexual puede producir descendencia con características que favorecen la supervivencia y la adaptación al ambiente. I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 183 Biología general FECUNDACIÓN Figura 3.25 En apartados anteriores aprendiste que la reproducción es el proceso biológico que permite la formación de nuevos seres. En el caso de la reproducción sexual, la formación del nuevo organismo se inicia con la fecundación, que es la unión de la célula sexual femenina, llamada gameto femenino, con la célula sexual masculina o gameto masculino. Existe una similitud entre la fecundación que se presenta en el reino vegetal y la que ocurre en el reino animal. En las plantas con flor (fig. 3.25) la fecundación se realiza en sus estructuras reproductivas; las masculinas están integradas por los granos de polen, contenidos en las anteras, y las estructuras femeninas, que están constituidas por el óvulo, ubicado en el interior del ovario de la flor (fig. 3.26). Partes externas de la flor. Los pétalos y las anteras son de diferentes tamaños, formas y colores. Figura 3.26 Corola Pistilo La fecundación se presenta cuando el gameto masculino, llamado anterozoide, se une con el gameto femenino, denominado oósfera, el cual se encuentra en el ovario de la flor. El transporte del polen desde el aparato masculino hasta el femenino ocurre mediante el proceso llamado polinización que se lleva a cabo por acción de agentes polinizadores (las aves, los insectos, el viento y el agua) o por autopolinización (fig. 3.27). Este último se presenta cuando el polen de los estambres de una planta cae sobre el estigma de la misma planta. El óvulo fecundado se desarrolla para dar origen a la semilla y después al fruto, el cual eventualmente producirá una planta semejante a los progenitores. Pétalos En la polinización, o transporte del polen, desde las estructuras floras masculinas a las femeninas, pueden participar las aves, los insectos, el viento y el agua. I= =IM= Antera 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? Estigma Estambres Sépalos Estilo Cáliz Ovario Óvulos Partes de la flor. Las estructuras reproductivas masculinas son los granos de polen contenidos en las anteras y las femeninas son los óvulos localizados dentro del ovario. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G184 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 En el reino animal, y en especial en los animales superiores, incluyendo al hombre, la fecundación requiere que se unan el gameto sexual masculino, llamado espermatozoide, con el femenino, denominado óvulo, para que se forme el huevo o cigoto que después se desarrollará hasta formar el embrión. En consecuencia, para que se realice la reproducción en el ser humano es necesario que exista el acto sexual o copulación de la pareja. Durante la copulación, el pene (fig. 3.28) deposita en el fondo de la vagina el semen, líquido en el cual se encuentran, en constante movimiento o nadando, millones de espermatozoides. Sólo una pequeña cantidad de estos gametos masculinos pasan al útero y llegan a las trompas de Falopio (fig. 3.29). En el trayecto mueren miles de espermatozoides, pero si I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Figura 3.27 Polen al Transportado por Pistilo Fecundación del óvulo Semilla (contiene al embrión) Aves Insectos Viento Agua Planta semejante a las progenitoras Proceso de polinización. Figura 3.28 Vesículas seminales 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Próstata Glándulas de Cowper Uretra Pene Ano Próstata Pene Testículos Conducto deferente Escroto Epidídimo 0 G IA? P Testículo Partes del sistema reproductor masculino. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 185 Biología general Figura 3.29 Ovarios Útero Trompas de Falopio Oviducto Cérvix Útero Ovarios Recto Pubis Vejiga Cuello del útero Vagina Vagina Monte de Venus Ano Clítoris Labio mayor Labio menor Uretra Localización del sistema reproductor femenino. Figura 3.30 en el recorrido uno de ellos se encuentra con un óvulo que ha bajado hacia el útero o matriz puede penetrar el óvulo, produciéndose así la fecundación. Una vez que la cabeza del espermatozoide ha penetrado al óvulo, pierde su cola y se desarrolla una membrana alrededor del óvulo que impide la entrada a cualquier otro espermatozoide (fig. 3.30). 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La fecundación es la unión del gameto masculino con el gameto femenino y en el ser humano ocurre mediante la copulación o acto sexual. Ocurre cuando el espermatozoide penetra en el óvulo. El espermatozoide humano mide de 2 a 3 micras y el flagelo puede llegar a 50 micras. En contraste, el óvulo es una gran esfera de 140 micras de diámetro. Fecundación. Aunque los ovarios de la mujer generalmente producen un óvulo maduro al mes, la posibilidad de fecundación es enorme porque el pene, en cada eyaculación o expulsión de semen, deposita en la vagina aproximadamente 400 millones de espermatozoides. Los espermatozoides viven y mantienen su capacidad de fecundación 24 a 48 horas después del acto sexual, mientras que el óvulo pierde su capacidad de ser fecundado alrededor de 24 horas después de la ovulación. El huevo o cigoto es una célula diploide integrada por 46 cromosomas, 23 del óvulo y 23 del espermatozoide. Una vez que se forma el cigoto, se inicia el periodo de gestación o desarrollo 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G186 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida embrionario. El embrión se desarrollará, crecerá y se alimentará gracias al conjunto de capas sanguíneas del útero que forman la placenta. En condiciones normales, el proceso de gestación en la mujer dura nueve meses. La fecundación humana produce un cigoto o célula diploide con 46 cromosomas: 23 del óvulo y 23 del espermatozoide. DESARROLLO EMBRIONARIO En el desarrollo embrionario se distinguen tres procesos: a) segmentación, b) gastrulación, c) diferenciación u organogénesis. a) Segmentación. Este proceso se inicia cuando el cigoto se encuentra en su trayecto por el oviducto hacia el útero. Se caracteriza por una serie de divisiones mitóticas del óvulo fecundado, lo que origina una estructura de dos células, después 4, 8, 16, etcétera, cada una de menor tamaño que la anterior. Alrededor del tercer día, se forma una esfera sólida llamada mórula que rápidamente se convierte en una esfera hueca de células, la blástula (en los mamíferos se llama blastocisto) (fig. 3.31). Figura 3.31 Cigoto 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= Etapa temprana de segmentación Etapa tardía Corte sagital de de la segmentación blástula Segmentación. Después de la fecundación, el cigoto sufre divisiones por mitosis hasta formar una mórula y luego la blástula. El blastocisto permanece libre en la cavidad uterina cerca de dos días, después se implanta o incrusta en la pared del útero, donde recibirá los nutrimentos para continuar su desarrollo. La implantación ocurre aproximadamente a los 10 días de la fecundación (fig. 3.32). La presencia del cigoto implantado y la acción de la progesterona, secretada por el cuerpo amarillo, evitan el desprendimiento del endometrio, por lo que durante el embarazo no hay menstruación y se inhiben las subsiguientes ovulaciones. b) Gastrulación. Después de la segmentación se presenta el periodo de la gastrulación, en el cual el blastocisto se reorganiza y forma la estructura llamada gástrula. En la gástrula se distinguen tres capas de células llamadas capas germinales o embrionarias, que son: el ectodermo (capa externa), el mesodermo (capa media) y el endodermo (capa interna). Cada una de las capas germinales dará lugar a los diferentes tejidos y órganos durante el tercer proceso del desarrollo embrionario o diferenciación. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 187 Biología general FLASH Figura 3.32 Si el blastocisto se implanta en otro sitio, como en la cavidad abdominal, el oviducto o el ovario, se presenta un embarazo ectópico o extrauterino, que por lo general no llega a término. a) Fecundación Blastocisto Cavidad uterina b) Implantación c) Endometrio Ovulación Oviducto Útero Vagina Fecundación e implantación. a) La fecundación se realiza en el tercio superior de la trompa de Falopio. b) El cigoto se implanta en el útero cuando está en etapa de blastocisto. c) Implantación en el endometrio del útero. c) Diferenciación. A partir de las capas germinales se forman los tejidos y los órganos. Del ectodermo se desarrollan la piel, los órganos de los sentidos y el sistema nervioso. Del mesodermo se desarrollan los músculos, los huesos, la sangre, el corazón, las gónadas y los riñones; y del endodermo se originan los pulmones, el hígado, el páncreas y el sistema digestivo (fig. 3.33). Figura 3.33 Mesodermo Endodermo I= =IM= Ectodermo 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? El desarrollo de tejidos y órganos se debe a la actividad de células especializadas localizadas en las capas germinales. Sin embargo, los científicos han producido células con una especialización diferente a las células originales. En la sección Conoce más puedes encontrar más información sobre estas investigaciones. 0 G IA? P El cigoto se transforma en un organismo pluricelular mediante tres procesos: segmentación, que origina a la mórula y al blastocisto; gastrulación, durante la cual se forma la gástrula con tres capas germinales; y la diferenciación o formación de tejidos y órganos. Diferenciación. Los diferentes tejidos y órganos se forman a partir de las capas embrionarias: ectodermo, mesodermo y endodermo. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G188 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C UNIDAD 3 Procesos para la continuidad de la vida Conoce más Células madre: regeneración vital Como explicamos en la unidad anterior, las células madre tienen la capacidad de multiplicarse indefinidamente en un medio de cultivo sin perder sus propiedades, llegando a producir células especializadas. De aquí se derivan grandes expectativas de nuevos tratamientos. Parece que las células madre adultas tienen un gran potencial y que presentan más ventajas que las células madre embrionarias, puesto que se puede partir de células del propio individuo y, por tanto, con la misma carga genética e inmunológica. Un buen suministro de células madre propias podría ser el cordón umbilical obtenido en el momento del alumbramiento. Aplicaciones Las células madre pueden servir para probar nuevos medicamentos en todo tipo de tejidos antes de realizar pruebas en animales o en humanos; también tienen aplicación en terapia celular, medicina regenerativa o ingeniería de los tejidos. Muchas enfermedades son consecuencia del mal funcionamiento celular o de tejidos y uno de los tratamientos, en casos muy graves, es el trasplante. En lugar de este proceso, se puede estimular a las células madre a desarrollarse como células especializadas para reemplazar células y tejidos dañados. Dichas células se podrán emplear para casos de Parkinson y Alzheimer, lesiones medulares, quemaduras, lesiones de corazón o cerebrales, diabetes, osteoporosis y artritis reumatoide. La reproducción individual 3. Otros tipos de reproducción asexual incluyen: a) multiplicación vegetativa, se presenta en algunas plantas (cebolla, vid y papa) y consiste en la generación del nuevo organismo a partir de porciones especializadas de la planta progenitora, como bulbos, estacas, tubérculos, estolones, etcétera; b) división múltiple, se forma el nuevo individuo a partir de la fragmentación y regeneración de partes faltantes (algunos gusanos y estrellas de mar); c) partenogénesis, se caracteriza por el desarrollo del individuo de un óvulo no fecundado (zánganos). 4. Las células especializadas que intervienen en la reproducción sexual son los gametos que son haploides porque contienen la mitad del número cromosómico característico. En los animales, los gametos masculinos son los espermatozoides y los femeninos, los óvulos. 0 G IA? 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? 2. Algunos tipos de reproducción asexual son: a) bipartición, una célula se divide en dos iguales (amibas, bacterias y algas); b) gemación, un nuevo organismo se forma a partir de una yema o brote que después se separa del progenitor (levaduras y celenterados); c) esporulación, formación de esporas que al liberarse de un receptáculo crecen y se desarrollan (hongos, musgos y helechos). P I= =IM= 1. La reproducción es la capacidad de los seres vivos de formar nuevos individuos semejantes a ellos. Existen dos tipos de reproducción, la asexual, en la que participa un progenitor y no se unen dos células, y la sexual, donde, por lo general, se requieren dos progenitores y la unión de células reproductoras. Los organismos con reproducción asexual se propagan rápidamente y los de reproducción sexual lentamente, aunque estos últimos tienen, como ventaja adaptativa, el intercambio de información genética. 5. En un espermatozoide se distingue la cabeza, que contiene los cromosomas y enzimas que perforan la membrana del óvulo; la parte media, en la cual se encuentran las mitocondrias, y la cola o flagelo que permite su movimiento. 3I9EACC 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C Grupo Editorial Patria 189 Biología general 6. La fecundación o concepción ocurre en las trompas de Falopio; es la unión del núcleo del espermatozoide con el núcleo del óvulo, lo cual da lugar al cigoto. Conforme éste avanza por las trompas de Falopio se presentan tres etapas del desarrollo embrionario: segmentación, gastrulación y diferenciación. 7. Durante la segmentación, el cigoto se divide por mitosis hasta formar una esfera sólida de células, llamada mórula, que después se hace hueca al formar el blastocisto que se implanta en el útero. La gastrulación es el proceso en el cual las células del blastocisto se reorganizan y forman la gástrula en la que se distinguen tres capas embrionarias: el ectodermo, el mesodermo y el endodermo. Durante la diferenciación cada capa origina los tejidos y órganos del embrión que correspondan. 3.3 DESARROLLO E IMPORTANCIA DE LA GENÉTICA DESARROLLO HISTÓRICO DE LA GENÉTICA En apartados anteriores aprendiste que la Genética es la rama de la Biología que estudia la herencia. La idea de la herencia se conoce desde la antigüedad, pues en épocas prehistóricas se seleccionaban y domesticaban animales y plantas útiles para el hombre. Los egipcios realizaban polinizaciones artificiales de palmeras datileras desde 1000 años a.C. La Genética como ciencia nació formalmente en 1900, cuando se redescubrieron los trabajos del austriaco Gregor Mendel, aunque no fue hasta 1906 que el británico William Bateson acuñó el término y escribió el primer libro de texto sobre esta disciplina. A más de un siglo de su nacimiento, la Genética se ha desarrollado a pasos acelerados, especialmente a partir de mediados del siglo xx con el descubrimiento de la base molecular de la herencia: el ADN. La Genética ha impulsado el desarrollo de las ciencias naturales y de las aplicaciones biotecnológicas en las áreas de la Agronomía, Botánica, Zoología, Veterinaria y Medicina. 0 G IA? P 3I G 2 A IA9C 9 IA9 .CC IA? I= =IM= La historia de la Genética durante el siglo xx se puede dividir en tres periodos: la época clásica, que abarcó los primeros 40 años del siglo; la época intermedia, 1940-1970, que se caracterizó por los descubrimientos del ADN, y por último, la época contemporánea, a partir de los años 70, en que los científicos comenzaron a manipular y descifrar el genoma humano y de otras especies. 3I9EACC Época clásica (1900-1940) La Genética y su teoría mendeliana fueron desarrolladas por los fundadores de la genética clásica en los primeros 40 años del siglo xx. Sus principios se aplicaron, principalmente, en las áreas de la Agronomía y la Veterinaria con el propósito de mejorar la producción de plantas y animales. En 1906 Bateson acuñó el término Genética y la designó como “ciencia dedicada al estudio de los fenómenos de la herencia y de la variación”. Tres años después, el botánico danés Wilhelm Johannsen introdujo el término gen, definiéndolo como “una palabrita útil para expresar los factores unitarios que se encuentran en los gametos”. En este periodo se iniciaron los estudios de Genética en la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, se descubrió la herencia ligada al cromosoma X y se construyó el primer mapa genético, entre otros muchos descubrimientos. Todos estos hallazgos llevaron a establecer los fundamentos de la Genética clásica que postula que los genes son la unidad básica de la herencia y que éstos se encuentran ordenados en los cromosomas uno tras otro, como las perlas en un collar. 8=C = 9I 9 =C AC9I /A C ? 9 ?=E=I9C C A =D9 MAMA=E = G190 =: B =E I9C GI = D CA: E9 G = 9AC 9 A E41, 0I=9 = I D E9 G E 3I G 2 A IA9C 9 IA9 I 7 = 2: B 0=E I9C