SEMINARIO TEORICO Módulo 1: ORGANIZACIÓN DE LA VIDA
Este módulo incluye generalidades sobre conceptos fundamentales de la biología, y constituye la base de descripciones posteriores de observaciones científicas, experimentos y pruebas, que ayudan a demostrar cómo desarrollar, modificar y refinar los propios conceptos sobre la vida.
TEMARIO:
Atributos de la materia viva: 1- Complejidad y organización: niveles de organización químico (elementos, biomoléculas y macromoléculas), celular (estructuras supramacromoleculares, orgánulos), orgánico (tejidos, órganos, sistemas orgánicos) y ecológico (población, hábitat, comunidad, ecosistema). 2- Energía y metabolismo (rutas metabólicas, niveles tróficos). 3- Homeostasis y respuesta a estímulos (regulación de temperatura y acidez). 4- Herencia y reproducción (ADN, herencia y desarrollo). 5- Adaptación y evolución (clasificación de los seres vivos).
Las bases químicas de la vida: Estructura y propiedades del agua. Grupos funcionales. Biopolímeros.
QUE ES LA VIDA?
Desde la perspectiva biológica, la "vida" es el resultado de antiguos eventos por los cuales la materia sin vida (átomos y moléculas) se organizó para dar lugar a las primeras células con atributos de materia viva. Los seres vivos están compuestos por átomos y moléculas los cuales interactúan unos con otros en una forma muy precisa, de manera que mantienen el flujo de energía necesario para la vida. Gran parte de la Biología moderna se apoya en la Biología Molecular: esto es, la química y física de las moléculas que constituyen los seres vivos.
A medida que los biólogos moleculares descubren nuevos datos acerca de las moléculas biológicamente importantes, de las reacciones metabólicas y del mecanismo molecular de transmisión de la información genética, nuestro entendimiento de los organismos vivos se va incrementando en forma notable. Como consecuencia de ello han surgido dos generalizaciones importantes:
- A pesar de la biodiversidad, la composición química y los procesos metabólicos (bioquímicos) de todos los seres vivos son notablemente similares. Esto explica por qué gran parte de lo que los biólogos aprenden estudiando bacterias o ratones en los laboratorios puede aplicarse a otros organismos, incluyendo al ser humano.
- Los principios físicos y químicos que rigen a los sistemas vivos son los mismos que rigen a los sistemas abióticos. No existen leyes naturales exclusivas para los seres vivos.
Sin embargo, los seres vivos a su vez, poseen unos atributos que no se encuentran en la materia inanimada como ser: complejidad y organización, energía y metabolismo, homeostasis, capacidad de duplicarse y evolucionar.
1- COMPLEJIDAD Y ORGANIZACIÓN
Los seres vivos poseen estructuras internas complejas formadas por numerosas moléculas, y cada una de las estructuras que componen la materia viva cumplen un rol específico:
Niveles de organización biológica Nivel químico
Elementos mayores presentes en el cuerpo humano:
Nombre masa % Importancia o función
Oxígeno 65 Necesario para la respiración celular; presente en casi todos los compuestos orgánicos; forma parte del agua
Carbono 18 Constituye el esqueleto de las moléculas orgánicas; puede formar cuatro enlaces con otros tantos átomos
Hidrógeno 10 Presente en la mayoría de los compuestos orgánicos; forma parte del agua Nitrógeno 3 Componente de todas las proteínas y ácidos nucleicos y de algunos lípidos
Calcio 1,5 Componente estructural de los huesos y dientes; importante en la contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos y coagulación de la sangre
Fósforo 1 Componente de los ácidos nucleicos; componente estructural del hueso; importante en la transferencia de energía. Integra los fosfolípidos de la membrana celular.
Principales Oligoelementos presentes en el cuerpo humano
Potasio 0.4 Principal ion positivo (catión) del interior de las células; importante en el funcionamiento nervioso; afecta a la contracción muscular
Azufre 0,3 Componente de la mayoría de las proteínas
Sodio 0,2 Principal ion positivo del líquido intersticial (tisular); importante en el equilibrio hídrico del cuerpo; esencial para la conducción de impulsos nerviosos
Magnesio 0,1 Forma parte de casi todas las enzimas de importancia
Cloro 0,1 Principal ion negativo (anión) del líquido intersticial; importante en el equilibrio hídrico Hierro trazas Componente de la hemoglobina y mioglobina; forma parte de ciertas enzimas Yodo trazas Componente de las hormonas tiroideas
Las células y los líquidos extracelulares de plantas y animales contienen una variedad de sales disueltas, entre las que se incluyen muchos iones minerales de importancia, esenciales para el equilibrio hídrico y ácido básico y, en los animales, para el funcionamiento de nervios y músculos, la coagulación de la sangre, la formación de huesos y muchos otros aspectos del funcionamiento del cuerpo. Sodio, potasio, calcio y magnesio son los principales cationes presentes, mientras que cloruro (Cl-), bicarbonato (HCO3-), fosfato (PO43-) y sulfato (SO42-) son aniones importantes.
Los compuestos orgánicos son moléculas cuyo esqueleto principal está formado por átomos de carbono capaces de formar enlaces covalentes muy estables unos con otros, aunque algunos compuestos de estructura muy simple como el dióxido de carbono (CO2) y los carbonatos (CO32-) se clasifican como compuestos inorgánicos a pesar de contener carbono.
Las moléculas orgánicas generadas por los organismos vivos se denominan biomoléculas y constituyen el principal componente estructural de células y tejidos, participando en infinidad de reacciones metabólicas proveyendo energía para los procesos de la vida. Las más importantes incluyen a los lípidos, los aminoácidos, los monosacáridos y los nucleótidos.
Nivel celular
A nivel celular se observa que diferentes tipos de biomoléculas pueden asociarse entre sí (como las estructuras supramacromoleculares arriba mencionadas) para constituir estructuras mas complejas y especializadas denominadasorganelos. La membrana celular que rodea a la célula y el núcleo que contiene el material hereditario son ejemplos de organelos. La célula en sí es la unidad básica estructural y funcional de la vida. Cada célula está formada por una cantidad discreta de citoplasma, rodeado por una membrana celular. Los organelos están aparentemente suspendidos en el citoplasma, pero como veremos su posición depende de la actividad de una complicada malla de diferentes tipos de proteínas que constituyen el
citoesqueleto. Todo ser vivo está formado por células, algunos individuos pueden ser unicelulares (de una sola célula) o pluricelulares (dos o más células). En las condiciones actuales de la naturaleza, sólo se forman nuevas células cuando las ya existentes se reproducen.
Nivel orgánico
El siguiente nivel de organización, a menudo llamado nivel orgánico, se evidencia en los organismos pluricelulares complejos, donde las células de igual o distinto tipo se agrupan para formar tejidos, como el tejido muscular y el nervioso en los animales, o el tejido de transporte o de secreción en las plantas. Los tejidos, a su vez, están organizados en estructuras funcionales llamadas órganos, como el corazón y el estómago en los animales, o la hoja, el tallo o la raíz, en las plantas. Además, en los animales, cada grupo de funciones biológicas es realizado por un conjunto coordinado de tejidos y órganos llamado aparato o sistema orgánico. El sistema circulatorio y el aparato digestivo son ejemplo de este nivel de organización. Al funcionar juntos, con gran precisión, los sistemas y aparatos orgánicos integran el organismo pluricelular complejo, que definen al individuo. El conjunto de individuos semejantes entre sí, parecidos en sus caracteres estructurales y funcionales, que en la naturaleza pueden entrecruzarse libremente y producir descendientes fértiles, definen a una especie.
Nivel ecológico
2- ENERGÍA Y METABOLISMO
Los seres vivos requieren energía para construir y mantener sus propias e intrincadas estructuras. La energía es la capacidad para realizar un trabajo. Como se ha dicho previamente, en los seres vivos los átomos y moléculas interactúan de forma que mantienen el flujo de energía. Las células realizan trabajo conforme los átomos ceden, comparten o aceptan electrones. También trabajan para ensamblar, reordenar o dividir moléculas. Todos estos eventos moleculares se llevan a cabo gracias a la energía.
Metabolismo
Toda célula viva tiene la capacidad de: 1) obtener energía de sus alrededores y transformarla y 2) usar la energía para mantenerse a sí misma, crecer y producir más células. El conjunto de reacciones químicas que le permite llevar a cabo estos procesos se llama metabolismo. Consideremos la célula de una hoja que fabrica alimento por el proceso llamado fotosíntesis. Dicha célula capta la energía de la luz solar y la transforma en energía química en forma de moléculas de ATP. Este ATP sirve para impulsar cientos de eventos metabólicos mediante la transferencia de energía a los sitios de reacción, donde enzimas específicas sintetizan moléculas de azúcar. En la mayoría de las células también se forma ATP en el proceso de la respiración aeróbica, en este proceso se libera la energía que las células almacenaron con anterioridad, en forma de almidón u otra clase de moléculas. Las células sólo continúan vivas mientras son capaces de llevar a cabo el
metabolismo. Adquieren y transfieren energía, que se emplea para ensamblar, descomponer, acumular y disponer de materia de manera que promueven la supervivencia y la reproducción.
Niveles tróficos
El paso de energía de un organismo a otro ocurre a lo largo de una cadena alimentaria que consiste en una secuencia de organismos relacionados unos con otros en carácter de presa y predador. El primero es comido por el segundo, el segundo por el tercero y así sucesivamente en una serie de niveles alimentarios o niveles tróficos. En la mayoría de los ecosistemas, las cadenas alimentarias están entrelazadas en complejas tramas, con muchas ramas e
está constituida por plantas y algas, todos los heterótrofos sólo dan cuenta del 1 % de la materia orgánica. Los consumidores primarios (herbívoros) se alimentan de los productores (plantas y algas). Un carnívoro que come a un herbívoro es un consumidor secundario, y así sucesivamente. En promedio, aproximadamente el 10 % de la energía transferida en cada nivel trófico es almacenada en tejido corporal (biomasa); del 90 % restante, parte se usa en el metabolismo del organismo (se mide como calorías perdidas en la respiración) y parte no se asimila. Esta energía no asimilada es utilizada por los organismos que viven de la materia orgánica muerta y desechada (detritívoros) y, finalmente, por los descomponedores. Todos estos organismos que no son capaces de sintetizar sus propios alimentos se denominan heterótrofos. La organización ecológica se verá con mayor detalle mas adelante, junto con los conceptos de evolución.
3- HOMEOSTASIS Y RESPUESTA A ESTIMULOS
La homeostasis es una propiedad de los organismos que consiste en su capacidad de mantener una condición interna estable compensando los cambios en su entorno mediante el intercambio regulado de materia y energía con el exterior (metabolismo). Se trata de una forma de equilibrio dinámico que se hace posible gracias a una red de sistemas de control realimentados que constituyen los mecanismos de autorregulación de los seres vivos. Ejemplos de homeostasis son la regulación de la temperatura y el balance entre acidez y alcalinidad (pH). Los organismos, tanto uni como multicelulares, perciben y responden a las condiciones ambientales en diversas formas con la finalidad de mantener sus condiciones operativas internas. Cada organismo tiene receptores, que son moléculas capaces de detectar los estímulos. Un estímulo es alguna forma específica de energía que el receptor puede detectar. Algunos ejemplos de estímulos son la energía solar, la energía calorífica, la energía de enlace de las moléculas de una hormona y la energía mecánica de una mordida. Las células ajustan su actividad metabólica en respuesta a señales de los receptores.
Cuando una persona ingiere un sandwich, los azúcares pasan a través de su intestino y entran a la sangre. Esta última, junto con el líquido tisular que baña sus células, constituye el medio ambiente interno del organismo. Cuando el nivel de esta sustancia aumenta, el páncreas ─un órgano glandular─ secreta más insulina. La mayoría de las células del cuerpo tiene receptores para esta hormona, que estimula a las células a captar azúcar. Cuando un número suficiente de células hace esto, el nivel de azúcar en la sangre regresa a la normalidad. Una regulación imprecisa implica el exceso de azúcar en la sangre y puede provocar diabetes y otros problemas
Los líquidos del cuerpo de los animales terrestres difieren considerablemente del agua marina en lo que se refiere al contenido total de sales. Sin embargo, se parecen al agua de mar en el tipo de sales presentes y en su abundancia relativa. Mientras que la concentración total de sales en los líquidos del cuerpo de la mayoría de los animales invertebrados marinos es equivalente a la del agua de mar (aproximadamente 3,4%). Los vertebrados, sean terrestres o marinos, tienen menos de 1% de sal en los Iíquidos de su cuerpo. Estos datos apoyan la teoría que explica que el origen de la vida ocurrió en el mar. Las células de esos primeros organismos se adaptaron y funcionaron de manera óptima en presencia de ese conjunto de sales. Conforme fueron apareciendo animales de mayor tamaño y se originaron los líquidos del cuerpo, esa combinación de sales se conservó, incluso a pesar de que algunos de los descendientes de los animales primigenios emigraron hacia el agua dulce y la tierra. Aunque es pequeña la concentración de sales en las células y los líquidos del cuerpo de las plantas y animales, dicha cantidad es de gran importancia para el funcionamiento normal de las células. Las concentraciones de los cationes y aniones respectivos permanecen notablemente constantes en condiciones normales. Cualquier cambio significativo da por resultado un trastorno de las funciones celulares y, en última instancia, la muerte.
.. La regulación de la temperatura corporal en el ser humano (homeotermia) es otro ejemplo de la operación de tales mecanismos.
Los organismos responden de manera tan refinada a los cambios de energía, que sus condiciones operativas internas por lo general permanecen dentro de límites tolerables. De este modo, la homeostasis constituye una de las características clave que definen la vida.
4- HERENCIA Y REPRODUCCION
El ácido desoxirribonucleico (ADN), la energía y la vida
La molécula más característica de la célula (la unidad más pequeña que tiene la información de vida) es el ácido nucleico llamado ADN. Todos los organismos sobre la Tierra poseen un sistema genético que se basa en una o más moléculas largas y complejas llamadas ácido desoxirribonucleico, que compone los genes o unidades de material hereditario. El orden en que se disponen las subunidades o monómeros del ADN, los nucleótidos, codifica la información que determina las características individuales de los organismos. El código genético es el mismo en todos los seres vivos, lo que constituye un ejemplo impresionante de la unidad de la vida. Sin embargo los organismos de una especie dada poseen un ADN característico; de modo que cada especie genera únicamente individuos de la misma y no de otras especies.
Los genes transmiten la información de una generación a la siguiente, pero también regulan el desarrollo y funcionamiento de cada organismo. El ADN contiene las instrucciones para el ensamblaje (síntesis) de diversas proteínas a partir de moléculas más pequeñas llamadas aminoácidos. Así, el ADN puede transcribir su información parcialmente a otro tipo de ácido nucleico, el ARN o ácido ribonucleico, del cual existen distintos tipos uno de ellos –el ARN mensajero– puede traducir ese mensaje para que se sintetice una determinada proteína. Consideremos esto como un flujo de información del ADN al ARN y luego hacia la proteína. De este modo, el ADN contiene toda la información para sintetizar todas las proteínas que necesita un ser vivo.
En las condiciones actuales de la naturaleza, las nuevas células y organismos multicelulares heredan de sus padres las características que los definen. La herencia es simplemente la adquisición de estas características por la transmisión del ADN de padres a hijos. Reservaremos el término reproducción para los mecanismos reales de transmisión del ADN a los hijos. El término desarrollo se refiere a la transformación de un nuevo individuo en un adulto multicelular, generalmente constituido por tejidos y órganos especializados para ciertas tareas.
5- ADAPTACION Y EVOLUCION
El concepto original de Darwin y de Wallace acerca de cómo ocurre la evolución todavía sigue proporcionando el marco básico para nuestra comprensión del proceso. Ese concepto se funda en cinco premisas:
- Los organismos engendran organismos similares; en otras palabras, hay estabilidad en el proceso de la reproducción.
- En la mayoría de las especies, el número de individuos que sobreviven y se reproducen en cada generación es pequeño en comparación con el número total producido inicialmente.
- En cualquier población dada ocurren variaciones aleatorias entre los organismos individuales, algunas de las cuales son hereditarias, es decir, que no son producidas por el ambiente.
Biodiversidad: clasificación de los seres vivos
Los humanos comparten el planeta con muchos millones de tipos distintos de organismos o especies. Varios millones más nos precedieron en los últimos 3800 millones de años, sin embargo esos linajes evolucionaron o se extinguieron. Durante siglos los estudiosos han intentado comprender esa diversidad que provoca tanta confusión.
Uno de ellos, Carlos Linneo (Carolus Linneaus), promovió la clasificación esquemática que asigna un nombre de dos partes a cada nueva especie identificada. La primera parte designa el género, el cual abarca todas las especies que parecen relacionadas de manera cercana por su forma, funcionamiento y ancestros. La segunda parte del nombre designa una especie en particular dentro del género. El nombre científico del ser humano es Homo sapiens. El género Homo es monoespecífico, ya que no hay otras especies vivas que pertenezcan al género. Sí hubo especies del género Homo desaparecidas: Homo habilis y H. erectus, por ejemplo.
Los organismos se asignan a categorías cada vez más generales, en las que tienen cada vez menos características en común. La categoría más general es el dominio. Existen tres dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. Los dominios Bacteria y Archaea incluyen organismos procariotas unicelulares, el dominio Eukarya es el de mayor diversidad biológica, dentro de él se describen cuatro reinos: Protista, Fungi, Planta y Animalia. Estos Dominios y reinos pueden relacionarse entre sí por medio de un árbol filogenético, un esquema que muestra las relaciones evolutivas entre varias especies u otras entidades que se cree que tienen una ascendencia común. A diferencia de los árboles genealógicos, en los que se utiliza información proporcionada por los familiares, para los árboles filogenéticos se usa información proveniente de fósiles y de la comparación anatómica, fisiológica y molecular de los organismos. La teoría de la existencia de un ancestro común la desarrollaremos en el próximo módulo cuando estudiemos la Teoría Celular.
Dominio Bacteria
Incluye a las bacterias, que se diferencian de otros organismos por el hecho de carecer de envoltura nuclear (y en consecuencia no poseen un núcleo definido, sino una estructura menos definida, el nucleoide) y de otros organelos limitados por una membrana. Estos organismos también son conocidos como procariotes.
Las bacterias son organismos microscópicos que pueden actuar como desintegradores en el ecosistema. Algunas bacterias son patógenas, es decir que producen enfermedades en los seres humanos y otros organismos.
general los organismos que integran este grupo se asocian formando agrupaciones laxas de individuos denominadas colonias. Este dominio consta de un solo reino (Eubacteria)
Dominio Archaea
Las arqueas, al igual que las bacterias, son organismos procariotas pero corresponden a un dominio aparte porque tiene características similares a los eucariotes, como ser la maquinaria de transcripción y traducción del ADN. Se caracterizan por vivir en ambientes muy exigentes (por ello algunos biólogos se refieren a ellos como organismos extremófilos), que pueden ordenarse en tres grupos: las
halófilas, que viven
en ambientes extremadamente salinos, las metanogénicas (anaerobias obligadas que producen metano a partir del dióxido de carbono e hidrógeno; son comunes en el tracto digestivo de animales y pueden también vivir en ambientes pantanosos) y las termoacidófilas: crecen en ambientes ácidos, cálidos, como las fuentes sulfurosas del Parque Yellowstone, con temperaturas de mas de 60 ºC y una alta acidez.
. Este dominio tiene un solo reino (Arqueabacteria)
Dominio Eukarya
Todos los seres vivos pertenecientes a este dominio son eucariotes; es decir, organismos cuyas células tienen un núcleo bien definido, rodeado por una envoltura nuclear, y diversos organelos membranosos intracitoplásmicos. Consta de cuatro reinos: Protista, Fungi, Plantae y Animalia.
Reino Protista
El reino Protista incluye a todos aquellos organismos eucariotes que no pueden clasificarse dentro de alguno de los otros tres reinos (Fungi, Plantae o Animalia). Ninguno de sus representantes está adaptado plenamente a la existencia en el aire, de modo que los que no son directamente acuáticos, se desarrollan en ambientes terrestres húmedos o en el medio interno de otros organismos. Son eucariotas unicelulares o pluricelulares. Las formas unicelulares a menudo están dotadas de movilidad por reptación o, más frecuentemente, por apéndices de los tipos llamados cilios y flagelos. Si bien predominan las formas microscópicas, en el reino se incluyen diversos tipos de algas (verdes, pardas, rojas) que en algunos casos (las algas pardas) pueden llegar a medir decenas de metros. Muchos son autótrofos (hacen fotosíntesis) pero otros son heterótrofos y obtienen sus alimentos por ingestión (fagótrofos) o por absorción osmótica (osmótrofos).
Reino Fungi
Los hongos son un grupo diverso de eucariotes heterótrofos que obtienen su alimento por absorción a través de su superficie en lugar de ingerirlos como hacen los animales, ya que carecen de clorofila. Algunos tienen importancia ecológica como desintegradores, al absorber nutrientes a partir de materia orgánica en descomposición, en tanto que otros son parásitos. Los hongos pueden producir esporas sexuales y asexuales durante la reproducción. En este reino se incluyen las levaduras unicelulares, los mohos multicelulares, las setas (“champiñones”) y los hongos en repisa, entre otros. Varias especies de hongos, así como de bacterias, son empleados en procesos biotecnológicos, como la fabricación de vino y cerveza, antibióticos y vitaminas.
Reino Plantae (vegetales)
Los vegetales son organismos pluricelulares adaptados para realizar la fotosíntesis. Sus pigmentos fotosintéticos, como la clorofila, se localizan dentro de organelos membranosos llamados cloroplastos. Las células vegetales están rodeadas por una pared celular rígida que contiene celulosa, y típicamente tienen grandes sacos llenos de líquido llamados vacuolas. En el reino Plantae se incluyen las briófitas y las plantas vasculares. Las briófitas son los musgos y hepáticas. Estas plantas terrestres necesitan ambientes muy húmedos para poder completar su ciclo reproductivo. Debido a que carecen de un sistema eficiente de transporte interno, las briófitas no suelen ser grandes (sólo unos pocos centímetros). Las plantas vasculares incluyen helechos, gimnospermas (coníferas, como pinos, cipreses y araucarias) y plantas con flores (angiospermas). Su eficiente sistema de transporte interno lleva el agua y los nutrientes de una parte a otra de la planta, lo que les permite alcanzar grandes dimensiones.
Todos los animales son heterótrofos pluricelulares. Sus células carecen de pigmentos fotosintéticos, de modo que los animales obtienen sus nutrientes devorando otros organismos, ya sea plantas u otros animales. Los animales complejos tienen un alto grado de especialización en sus tejidos y su cuerpo está muy organizado; estas dos características surgieron a la par que la movilidad, los órganos sensoriales complejos, los sistemas nerviosos y los sistemas musculares. Las diferencias entre plantas y animales obedecen esencialmente al modo de procurarse alimento. Los vegetales deben fijarse en el suelo para procurarse de agua, desarrollar órganos elaboradores aéreos y diseñar un eficaz sistema de transporte del agua y los nutrientes minerales. Esto implica el sacrificio de la locomoción y el riesgo permanente de la depredación. Por ello tienen crecimiento indefinido. En los animales, en cambio, la necesidad de buscar alimento (y de evitar convertirse en alimento de especies carnívoras) se relaciona con la evolución del aparato de locomoción y los órganos de los sentidos.
LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA
EL AGUA: Donde hay agua puede haber vida
Existen buenas razones para creer que la vida, en la forma que la conocemos, no puede existir sin agua. Los animales y las plantas no pudieron vivir sobre la superficie de las masas terrestres hasta que evolucionaron adaptaciones que les permitieron retener el agua, la que constituye hasta el 70% del cuerpo humano. Los organismos acuáticos, por supuesto no necesitan estos mecanismos de retención de agua, lo que lleva a los biólogos a la conclusión que la vida se originó en un ambiente acuático.
La atención de los biológos se centra no sólo en la presencia de agua en los seres vivos sino en lo que está disuelto en ella. Como se ha dicho previamente, un descubrimiento central de la biología es que los seres vivos están compuestos por los mismos elementos químicos que la porción inanimada del universo. Este punto de vista (mecanicista) sostiene que los organismos vivos están compuestos de sustancias químicas y obedece a las mismas leyes universales de la química y la física.
Qué propiedades del agua la hacen tan importante en biología?
Al igual que la mayoría de la materia, el agua puede existir en 3 estados: sólido, líquido y gaseoso. Una gran parte de la masa de casi todos los organismos es simplemente agua. Cerca de 70% del peso total del cuerpo humano está formado por agua y.en los tejidos humanos el porcentaje de agua es variable: desde un 20% en los huesos hasta el 85% en las células cerebrales.
El agua no sólo es el principal componente de los organismos, sino también uno de los factores ambientales más importantes que los afectan. Muchos organismos viven en el mar o en los ríos, lagos y lagunas de agua dulce. Las propiedades
físicas y químicas del agua han permitido a los seres vivos aparecer, sobrevivir y evolucionar en este planeta.
El agua tiene una estructura única y propiedades especiales
La molécula de agua tiene características químicas únicas. Es una molécula polar que puede formar puentes de hidrógeno. Estas características explican parte de las interesantes propiedades del agua, como la capacidad de flotación del hielo, las temperaturas de fusión y de congelamiento y su capacidad calorífica (almacenar calor).
El agua disuelve a las sales tales como el cloruro de sodio mediante hidratación y estabilización de los iones Cl y Na+, como consecuencia de la reducción de las interacciones iónicas que existen entre ellos.
Las biomoléculas no cargadas pero polares se disuelven fácilmente en agua debido al efecto estabilizador de los muchos puentes
de hidrógeno que se forman entre los grupos hidroxilo o el oxígeno carbonílico del azúcar y las moléculas polares del agua. En ambos casos se forma una capa de hidratación, que impide que las moléculas o los iones se asocien. Las moléculas que se disuelven en agua de esta manera se dicen solubles en agua; son moléculas
hidrofílicas. Las moléculas no polares, como los aceites, son no solubles en agua, son moléculas hidrofóbicas.
En sí misma, el agua es un reactivo o producto de muchas reacciones químicas que ocurren en los tejidos vivos: se produce en todas las reacciones de condensación que dan lugar a las macromoléculas más importantes (polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos) y como reactivo interviene en las reacciones opuestas denominadas de hidrólisis que catalizan los distintos tipos de hidrolasas (enzimas hidrolíticas) y que dan como resultado la producción de monosacáridos, aminoácidos y nucleótidos, respectivamente.
Fuerzas de cohesión y adhesión
El agua manifiesta los fenómenos de cohesión y adhesión. Sus moléculas presentan una fuerte tendencia a unirse entre sí (cohesión), debido a la presencia de puentes de hidrógeno entre ellas. Dichas moléculas también se adhieren a otras sustancias (p. ej. aquellas sustancias que tienen en su superficie grupos de átomos o moléculas cargados). Estas fuerzas de adhesión explican por qué el agua "moja" algunas cosas.
Las fuerzas de adhesión y cohesión explican la tendencia del agua a ascender por los tubos de vidrio de calibre muy pequeño (tubos capilares), fenómeno que recibe el nombre de capilaridad. El agua también se mueve en los espacios microscópicos que hay entre las partículas del suelo, de modo que llega hasta las raíces de las plantas por capilaridad; este mismo fenómeno contribuye al ascenso del agua por los tallos de las plantas hasta llegar a las hojas.
Estabilización de la temperatura
El agua tiene elevado calor específico; la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1C es 1 caloría. El alto calor específico del agua es el resultado también de la unión a través de puentes de hidrógeno entre sus moléculas. El aumento de la temperatura de una sustancia implica la incorporación de energía calorífica para hacer que sus moléculas se muevan más rápido, con lo que aumenta la energía cinética de las mismas. La mayor parte de la energía incorporada al sistema se utiliza en la ruptura de los puentes de hidrógeno, de modo que sólo una parte de dicha energía calorífica queda disponible para acelerar el movimiento de las moléculas (es decir, para incrementar la temperatura del agua). Cuando el agua líquida se solidifica y forma hielo, se libera una gran cantidad de calor en el ambiente. Debido a que se necesita una gran pérdida o un gran aporte de calor para reducir o elevar la temperatura del agua, los océanos y otros grandes cuerpos de agua tienen temperatura más o menos constante. Así, muchos de los organismos que viven en los océanos cuentan con un medio cuya temperatura es bastante uniforme. El alto contenido de agua de las plantas y animales que habitan en tierra les ayuda a mantener una temperatura interna constante.
conducir rápidamente el calor hace posible la distribución uniforme del calor a lo largo de un cuerpo. Sus propiedades son esenciales para estabilizar la temperatura en la Tierra.
Densidad del agua
Los puentes de hidrógeno contribuyen con otra importante propiedad del agua. Mientras que la mayor parte de las sustancias aumentan su densidad conforme disminuye su temperatura, el agua alcanza su mayor densidad a los 4°C y luego, cuando la temperatura disminuye aún más, comienza a expandirse nuevamente (haciéndose menos densa). El agua se expande al tiempo que se solidifica porque los puentes de hidrógeno en las moléculas de agua del enrejado cristalino mantienen a estas moléculas lo suficientemente separadas como para dar al hielo una densidad 10 % menor que la densidad del agua. Como resultado de esto, el agua sólida o hielo flota dentro del agua fría, que es más densa.
Esta propiedad excepcional del agua ha sido el factor más importante en la aparición, supervivencia y evolución de la vida en la Tierra. Si el hielo tuviera una densidad mayor a la del agua se hundiría y al final todas las lagunas, lagos e incluso los océanos se congelarían desde el fondo hasta la superficie haciendo imposible la vida. El hielo aísla el agua líquida que se encuentra por debajo de él, evitando así el congelamiento de ésta y permitiendo que una gran variedad de animales y plantas sobrevivan por debajo de la superficie de hielo.
COMPUESTOS ORGANICOS
Como se ha dicho, los compuestos formados por átomos de carbono unidos por enlaces covalentes son denominados
compuestos orgánicos. Las propiedades poco comunes del carbono permiten la formación de moléculas grandes y complejas, esenciales para la vida: un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces covalentes simples con otros átomos, incluyendo otros átomos de carbono. Dos átomos de carbono pueden compartir, uno con otro, dos pares de electrones, formando enlaces dobles (CC). En algunos compuestos se pueden formar triples enlaces (CC).
En un gran número de compuestos el eje o esqueleto principal está formado por átomos de carbono, pudiéndose formar grandes cadenas carbonadas. Las cadenas de carbono pueden ser ramificadas o no ramificadas. Los átomos de carbono también se unen en forma de anillo, dando estructuras cíclicas. En algunos compuestos hay estructuras cíclicas y cadenas.
La configuración molecular es importante para determinar las funciones de las moléculas y sus propiedades biológicas. Las moléculas que contienen carbono adquieren una configuración tridimensional debido a la naturaleza tetraédrica de sus ángulos de enlace. Por lo común hay libertad de rotación alrededor de cada enlace simple de carbono a carbono. Esta propiedad permite que las moléculas orgánicas sean flexibles y adquieran diversas conformaciones (disposiciones espaciales), según el grado de rotación de cada enlace simple. La rotación puede estar restringida si ambos átomos de C del enlace están unidos a grupos muy voluminosos, o cargados, o si participan de un anillo (estructura cíclica). Los enlaces dobles y triples no permiten la rotación, por lo que las regiones de una molécula en donde se presentan estos tipos de enlaces tienden a no ser flexibles.
GRUPOS FUNCIONALES
Cada clase de compuesto orgánico se caracteriza por la presencia de uno o más grupos funcionales específicos. Por ejemplo, los alcoholes contienen grupos funcionales llamados radicales hidroxilo. Otro grupo funcional importante es el carbonilo, que resulta de una doble unión entre el carbono y el oxígeno; si el carbonilo está ubicado en un carbono primario (extremo de la cadena carbonada) el grupo funcional es un aldehído, en tanto que si está unido a un carbono secundario (en mitad de una cadena carbonada) el grupo funcional es una cetona. Otro grupo importante es el grupo carboxilo (ácido), donde el carbono está unido simultáneamente a un oxígeno por una doble unión y a un hidroxilo. La reacción entre un grupo carboxilo (ácido) y un grupo hidroxilo (alcohólico) con pérdida de agua generan un éster. El nitrógeno también puede estar unido a un carbono y en ese caso forma un grupo amino; la reacción entre un grupo carboxilo y un grupo amino con pérdida de una molécula de agua origina una amida.
Una propiedad importante de los grupos funcionales en las moléculas biológicas es su solubilidad en agua. Tanto los grupos funcionales con carga positiva como los cargados negativamente son solubles en agua, ya que se asocian con fuerza a las moléculas polares de ésta. Los compuestos que contienen grupos funcionales polares sin carga tienden a ser solubles en agua debido a que los grupos polares atraen a las moléculas de agua, con las que forman puentes de hidrógeno. Los grupos funcionales que son polares interactúan, además, con otros iones con carga eléctrica o con otros grupos polares.
Los enlaces entre carbono e hidrógeno son no polares, por lo cual un grupo funcional constituido sólo por enlaces carbono-hidrógeno, como el grupo metilo (CH3) o etilo (CH2CH2), también es no polar. Los
enlaces oxígeno-hidrógeno y nitrógeno-hidrógeno son polares; tienen una carga eléctrica parcial positiva en el polo de la molécula de hidrógeno y una carga eléctrica negativa parcial correspondiente al oxígeno o nitrógeno. Por lo tanto, los radicales amino (RNH2) e hidroxilo (OH) son polares. Los enlaces dobles formados entre el carbono y el oxígeno (C=O) también son polares; hay una carga positiva parcial correspondiente al carbono y una negativa correspondiente al oxígeno. De aquí que los radicales carboxilo y aldehído sean polares.
La mayor parte de los compuestos presentes en las células contienen uno más grupos funcionales. Por ejemplo, cada aminoácido (los aminoácidos son subunidades moleculares de proteínas) contiene por lo menos dos grupos funcionales: un grupo amino y uno carboxilo. Las propiedades químicas de tales grupos determinan las propiedades generales de los aminoácidos. Sin embargo, muchos aminoácidos contienen otros grupos que determinan las propiedades específicas de cada tipo de aminoácido. Si se conocen los grupos presentes en un compuesto orgánico se puede predecir su comportamiento químico.
BIOPOLÍMEROS
de átomos. Estas grandes moléculas gigantes se denominan macromoléculas o polímeros biológicos (biopolímeros).
Existen 3 condiciones para que una molécula sea considerada macromolécula: 1. poseer un alto peso molecular, 2. estar constituida por subunidades estructurales (monómeros) y 3. que dichos monómeros estén unidos entre sí por enlaces covalentes.
Las células forman polímeros al unir estos pequeños compuestos orgánicos llamados monómeros. Así como todas las palabras de este texto se escriben utilizando las 27 letras del alfabeto en diferentes combinaciones, los monómeros pueden agruparse para formar una variedad casi infinita de moléculas más grandes. Los miles de compuestos orgánicos presentes en la materia viva se construyen a partir de unos 40 monómeros simples y pequeños. Estos pequeños compuestos se combinan en cadenas de subunidades similares. Por ejemplo, los 20 tipos comunes de aminoácidos (monómeros) se unen en incontables combinaciones y dan orígenes a los polímeros llamados proteínas. Unos pocos monosacáridos constituyen las unidades fundamentales de los polisacáridos, como el almidón, el glucógeno o la celulosa. Los ácidos nucleicos, responsables del mantenimiento de los caracteres hereditarios, son polímeros de nucleótidos, que a diferencia de los anteriores monómeros resultan de la unión de tres moléculas distintas: una base nitrogenada, un monosacárido y una molécula de ácido fosfórico.
El proceso de síntesis mediante el cual los monómeros se unen por enlaces covalentes se llama condensación. Durante la combinación de los monómeros se pierde el equivalente de una molécula de agua: por ello a veces se utiliza el término de síntesis por deshidratación para referirse a este proceso. Sin embargo, en los sistemas biológicos la síntesis de un polímero no equivale meramente a la inversión del proceso de degradación (que requiere la adición de agua). El proceso de síntesis requiere energía y es regulado por diversas enzimas (proteínas que regulan la velocidad de las reacciones químicas).
Cada organismo es característico debido a la diferencia en la secuencia de los monómeros de su ADN, el polímero que conforma sus genes. Las células y los tejidos de un mismo organismo también difieren debido a variaciones en los polímeros que los constituyen. El tejido muscular es distinto del nervioso, debido a las diferencias en el tipo y secuencia de los aminoácidos de sus proteínas. Al final, la estructura proteínica es determinada por la secuencia de los monómeros que intervienen en el ADN del organismo.
Bibliografía recomendada
Cooper, G.M. (2002) “La Célula”, 2ª edición. Marbán Libros, S.L., España.
Curtis, H. y N.S. Barnes (2000) “Biología”. 6ª edición española. Editorial Médica Panamericana. Lehninger, A.L. (1984). “Principios de bioquímica” 1ª Ed. Editorial Omega.
Purves, K.W., D. Sadava, G.H. Orians & H.C. Heller (2003) “Vida. La Ciencia de la Biología”, 6ª. Edición. Editorial MédicaPanamericana (traducido de la 6ª edición inglesa, 2001).
Biología para Ciencias de la Salud, Primer módulo (clases 1 a 3)
CUESTIONARIO TEORICO
ACTIVIDAD 1 (grupal)
a) Los estudiantes se dividen en grupos, escriben las distintas definiciones de vida que conocen y elaboran una definición consensuada. ¿Por qué es difícil encontrar una definición simple de la vida?
b) Cada grupo realiza un listado de las propiedades que caracterizan a los seres vivos y explica en que
consiste dicha propiedad. Teniendo presente ese listado completar en el pizarrón la siguiente tabla:
Item Objeto/individuo Propiedades de los seres vivos que cumplen
Propiedades de los seres vivos que no
cumplen
Nivel de
organización ¿Vivo o Inerte?
1 Cristales minerales 2 Virus informáticos 3 Neuronas 4 Bacterias 5 Abuelo/abuela 6 Esporas 7 Tomate
8 Células tumorales 9 Ribosomas
10 Ácido desoxiribonucleico 11 Mitocondrias
13 Colmenas 14 Hígado 15 Virus
ACTIVIDAD 2:
Discuta en grupo las siguientes afirmaciones y/o esquemas, citando ejemplos:
1-"Los seres vivos están integrados por moléculas inanimadas que se ajustan a todas las leyes físicas y químicas que rigen el comportamiento de la materia inerte, aunque su composición química difiere cualitativamente del entorno físico en que viven"
2- "Los organismos vivos poseen unos atributos que no se encuentran en la materia inanimada como son: Complejidad y organización"
3- "Cada especie de organismos posee su propio conjunto de moléculas proteicas y de ácidos nucleicos químicamente diferentes, sin embargo, pese a la inmensa diversidad de moléculas orgánicas se puede reducir en unos pocos tipos de moléculas sillares.
ACTIVIDAD 3:
Ordenar los términos de la columna A con respecto a las definiciones que figuran en la columna B.
A B
Átomo Grupo de tejidos dispuestos en una estructura funcional Célula Combinación de 2 o más átomos.
Molécula La partícula más pequeña de un elemento que posee las propiedades características de éste. Órgano Estructura especializada de una célula.
Sistema orgánico Asociación de células similares para llevar a cabo una función específica. Organismo Unidad funcional y estructural de los seres vivos.
Organoide Grupos de órganos que funcionan conjuntamente para llevar a cabo una o más funciones biológicas principales.
Tejido Grupo o sistema de aparatos combinados.
ACTIVIDAD 4:
