Ediciones Universidad Católica del Maule

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COMPENDIO

TEÓRICO-PRÁCTICO DE BIOLOGÍA CELULAR

Biología celular

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Manuel Tamayo Hurtado

Marta Fuentealba Cruz

Raúl Becerra Huencho

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Casilla 617 - Talca - CHILE

REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL N° 274182 ISBN: 978-956-7576-81-4

PRIMERA EDICIÓN Talca, junio de 2017

Coordinador General del Consejo Editorial Horacio Hernández Anguita

Directora de la Colección Textos de Apoyo a la Docencia Carmen Bravo Castillo

Diseño y Diagramación:

Luz María Gutiérrez Tapia Corrección de Estilo:

Daniela Oróstegui Iribarren Impresión:

Dimacofi Negocios Avanzados S.A.

Impreso en Chile - Printed in Chile TEXTOS DE APOYO A LA DOCENCIA Ediciones Universidad Católica de Maule

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PRÓLOGO

CAPÍTULO I. EL MICROSCOPIO: SU ESTRUCTURA Y UTILIZACIÓN

I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR II. CONCEPTOS BÁSICOS

III. MATERIALES

IV. ANTECEDENTES TEÓRICOS A. INTRODUCCIÓN

B. PROPIEDADES DE LAS LENTES Y DEL MICROSCOPIO ÓPTICO

B.1. Aumento visual B. 2. Resolución B. 3. Penetración B.4. Definición B.5. Luminosidad

C. PARTES DEL MICROSCOPIO ÓPTICO CONVENCIONAL

C.1. Componentes mecánicos (“montura”) C.2. Componentes ópticos

C.3. Accesorios C.4. Preparaciones V. PROCEDIMIENTOS

VI. PREGUNTAS PARA DISCUSIÓN Y AUTOEVALUACIÓN VII. NOTAS Y COMENTARIOS

CAPÍTULO II. PROTOPLASMA: SU NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA

III. MATERIALES

11

13 13 13 14 14 14

14 15 16 17 17 18

18 18 20 22 22 23 30 31

33 33 34 34

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IV. CONCEPTOS TEÓRICOS A. INTRODUCCIÓN

A.1. Bioelementos

A.1.1. Macroelementos A.1.2. Microelementos A.1.3. Oligoelementos B. NIVEL MOLECULAR

B.1. Agua

B.2. Sales minerales B.3. Glúcidos

B.3.1. Monosacáridos o azúcares simples (osas) B.3.2. Disacáridos

B.3.3. Oligosacáridos B.3.4. Polisacáridos B.4. Lípidos

B.4.1. Funciones de los lípidos B.4.2. Ácidos grasos

B.5. Aminoácidos, péptidos y proteínas B.5.1. Aminoácidos

B.5.2. Enlace peptídico

B.5.3. Estuctura de las proteínas B.5.3.1. Estructura primaria B.5.3.2. Estructura secundaria B.5.3.3. Estructura terciaria B.5.3.4. Estructura cuaternaria B.5.4. Propiedades de las proteínas B.5.5. Funciones de las proteínas B.6. Nucleótidos y ácidos nucleicos C. SISTEMAS POLIFÁSICOS

V. PROCEDIMIENTOS

34 34 35 36 37 38 38 38 38 39 40 41 41 41 43 43 44 44 44 45 45 46 46 47 47 47 48 48 50 54 59 60

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CAPÍTULO III. CÉLULAS Y ESTRUCTURAS CELULARES I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR

II. CONCEPTOS BÁSICOS III. MATERIALES

B. TEORÍA CELULAR

C. CÉLULAS PROCARIÓTICAS Y EUCARIÓTICAS D. MORFOLOGÍA BÁSICA DE UNA CÉLULA

EUCARIÓTICA

E. COMPONENTES CELULARES BÁSICOS E.1. Organelos

F. INCLUSIONES

G. SISTEMAS FUNCIONALES H. PERIFERIA CELULAR

I. SISTEMA VACUOLAR CITOPLASMÁTICO

J. CITOMATRIZ O MATRIZ CITOPLASMÁTICA FUNDAMENTAL

K. APARATO CINÉTICO Y CONTRÁCTIL L. PLASTOS Y MITOCONDRIAS

M. NÚCLEO N. RIBOSOMAS V. PROCEDIMIENTOS

CAPÍTULO IV. INTERCAMBIOS DE SUSTANCIAS ENTRE LA CÉLULA Y SU AMBIENTE EXTERNO I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR

B. PERMEABILIDAD CELULAR B.1. Difusión simple

B.2. Difusión facilitada

61 61 61 62 62 62 64 67

69 69 69 70 70 72 74

78 81 82 83 85 86 93 93

95 95 95 96 96 96 97 98 101

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B.3. Transporte activo V. PROCEDIMIENTOS

CAPITULO V. ENZIMAS Y ACCIÓN ENZIMÁTICA I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR

B. NATURALEZA QUÍMICA DE LAS ENZIMAS C. ESPECIFICIDAD

D. TIPOS DE ENZIMAS Y REACCIONES QUE CATALIZAN

D.1. Oxidorreductasas D.2. Transferasas D.3. Hidrolasas D.4. Liasas D.5. Isomerasas D.6. Ligasas V. PROCEDIMIENTOS

VI. PREGUNTAS PARA DISCUSIÓN Y AUTOEVALUACIÓN V. NOTAS Y COMENTARIOS

CAPÍTULO VI. CICLO CELULAR: LA CÉLULA CRECE Y SE DIVIDE

III. MATERIALES

B. CICLO CELULAR C. TIPOS DE DIVISIÓN

C.1. División celular procariótica C.2. División celular eucariótica

102 104 108 109

111 111 111 112 112 112 114 115

115 116 116 116 117 117 117 118 123 124

125 125 125 126 126 126 126 132 132 132

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C.2.1 División nuclear directa o amitosis C.2.2. División celular indirecta

C.2.2.1. Mitosis C.2.2.2. Meiosis

C.2.2.2.1. Meiosis y ciclos biológicos C.2.2.2.2. Etapas de una meiosis C.2.2.2.3. Citodiéresis

V. PROCEDIMIENTOS

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

133 133 134 137 137 139 139 140 143 144

145

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Este texto se ha escrito para cursos de universidades en los que se estudian materias de biología celular y se realizan laboratorios en este ámbito.

La Biología humana moderna constituye una de las disciplinas básicas que sirven más eficazmente a los estudiantes de esta área. Debido al conocimiento de las relaciones estructurales y funcionales de células y tejidos, es actualmente una disciplina fundamental en este campo. Este compendio se basa en trabajos de laboratorios realizados por los autores, por lo tanto, este manual de prácticas de laboratorio es fruto de nuestra experiencia docente. Este texto tiene como principal objetivo servir de guía a los alumnos en la realización de las actividades prácticas de laboratorio, estableciendo un nexo con las clases teóricas que se imparten en los cursos correspondientes; busca servir como guía auxiliar en el aprendizaje significativo de la biología celular, entregando una visión directa y real de una disciplina, difícil de adquirir al margen del laboratorio, contribuyendo de esta forma a la competencia genérica o transversal establecida en el Modelo Formativo de nuestra Casa de Estudios, que señala: “Realizar investigaciones que contribuyan al desarrollo del conocimiento científico y aplicado, en el contexto propio de su proceso formativo”.

Cada capítulo corresponde a una práctica independiente y contiene competencias por desarrollar, materiales disponibles en laboratorio, antecedentes teóricos, actividades prácticas propiamente tales y un cues- tionario con preguntas para discusión y autoevaluación. Para el óptimo aprovechamiento del material y tiempo, los alumnos deberán trabajar a conciencia, analizando, sintetizando, aplicando; sin caer en la tentación de copiar el trabajo de algún compañero ni acomodar los resultados a una idea preconcebida de lo que creen que deben encontrar. En algunos casos, se han considerado varias actividades similares que podrán ser realizadas

PRÓLOGO

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paralelamente por grupos independientes de estudiantes para finalmente discutir los resultados obtenidos por cada uno. La sección “Notas y comentarios” sirve para orientar a los lectores que al revisar diversos textos se confunden con nomenclaturas, definiciones o clasificaciones; y se agregan otros comentarios de interés.

Esperamos que este texto pueda ser de utilidad para los estudiantes, ayudantes o colegas que deseen hacer uso del mismo.

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I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR

Al finalizar el trabajo práctico, el estudiante será capaz de:

1. Conocer las características básicas de las lentes y los microscopios.

2. Caracterizar los principales tipos de microscopios utilizados en investigaciones biológicas, considerando sus propiedades y aplicaciones.

3. Reconocer las partes de un microscopio óptico compuesto de campo claro convencional y explicar sus funciones.

4. Obtener información del material observado, empleando los distintos objetivos, iluminación, enfoque y contraste adecuados.

5. Determinar, en forma aproximada, las dimensiones de objetos exami- nados al microscopio.

II. CONCEPTOS BÁSICOS

Conceptos básicos que el estudiante debe revisar previamente al trabajo práctico:

1. Propiedades de las lentes y del microscopio. Tipos de microscopios y su utilidad.

EL MICROSCOPIO: SU ESTRUCTURA Y UTILIZACIÓN

CAPÍTULO I

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2. Principales normas de cuidado y utilización del microscopio.

3. Partes del microscopio compuesto convencional de campo claro y sus funciones.

III. MATERIALES

Microscopio, preparaciones, portaobjetos, cubreobjetos, tubo de ensayo, agua corriente, hilos de colores (dos diferentes), aceite, lápiz grafito duro, lápices de colores.

IV. ANTECEDENTES TEÓRICOS A. INTRODUCCIÓN

El conocimiento de estructuras y ultraestructuras celulares progresó rápidamente con la utilización generalizada de microscopios (del griego mikros = pequeño y skopein = mirar); instrumentos que permiten observar detalles del objeto de estudio de dimensiones inferiores a 70 micrómetros, los que no pueden ser observados directamente por simple inspección ocular. Un microscopio es cualquier instrumento capaz de producir imágenes ampliadas de objetos muy pequeños.

B. PROPIEDADES DE LAS LENTES Y DEL MICROSCOPIO ÓPTICO El rendimiento y la calidad del microscopio óptico dependen principalmente de sus lentes, de la forma en que se combinan y de la iluminación empleada.

Un buen microscopio proporciona bastante aumento, ofrece detalles exactos y entrega imágenes contrastadas de contornos definidos. Además, la estructura mecánica debe poseer las características de estabilidad, fiabilidad y comodidad.

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B.1. Aumento visual

El aumento visual es la relación entre el tamaño de la imagen producida por el microscopio y el tamaño real del objeto observado. Indica el número de veces que la imagen es mayor que el objeto y se expresa en "X”, por ejemplo, 40 X significa que la imagen es 40 veces mayor que el objeto. El aumento puede definirse como la relación entre el ángulo bajo el cual se ve el objeto con el microscopio y el correspondiente a la visión directa cuando el objeto se encuentra a la distancia mínima de visión nítida. La distancia mínima de visión nítida corresponde a la mínima distancia a la cual el ojo enfoca correctamente un objeto, y es de 254 mm.

El aumento de una lente depende de cómo modifica la trayectoria de la luz que la atraviesa. Mayor curvatura del vidrio produce mayor refrac- ción de los rayos luminosos. Si un haz de rayos paralelos atraviesa una lente biconvexa, las ondas convergen al otro lado en un punto único, el foco principal. Se denomina centro óptico al punto de una lente en el cual los rayos luminosos que la atraviesan no se desvían. Distancia focal es la dis- tancia entre el foco principal y el centro óptico de la lente.

El tamaño de la imagen depende directamente de la distancia focal, por lo tanto, el aumento de una lente se puede calcular dividiendo 254 mm (distancia mínima de visión nítida) por la distancia focal en mm. La po- tencia o poder óptico de una lente, que se mide en dioptrías, es la inversa de la distancia focal, por lo cual el aumento de una lente también puede calcularse multiplicando la distancia mínima de visión nítida por su potencia. Cuanto mayor es la capacidad de una lente para curvar los rayos incidentes, más cerca de la lente está el foco principal, por lo tanto, menor es su distancia focal y mayor la potencia. Como el microscopio compuesto posee dos sistemas de lentes que aumentan sucesivamente la imagen, el aumento total se obtiene multiplicando el aumento del sistema ocular por el aumento del sistema objetivo, siempre que la distancia entre ambos sea la correcta (el largo mecánico del tubo es generalmente de 160 o 170 mm) y que no existan otras lentes intermedias.

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B.2. Resolución

Si mediante una fotocopiadora se amplía una fotografía de un periódico, se obtiene una imagen grande, pero borrosa; se dice que se ha producido un aumento en vacío. Con un microscopio, en cambio, la imagen aumentada presenta mayores detalles estructurales, gracias a su poder de resolución.

La resolución es la propiedad de un sistema óptico de discriminar detalles muy finos. Consiste en hacer visibles como independientes dos puntos muy cercanos entre sí. El inverso del poder de resolución es el límite de resolución (L.R.), distancia mínima entre dos puntos del objeto observados como distintos. Los microscopios ópticos modernos tienen un límite de resolución de 0.2 a 0.4 um, (micras), aproximadamente l/20 del diámetro de un eritrocito humano normal. El límite de resolución depende de la longitud de onda de la emisión empleada y del ángulo que forman los rayos más externos que penetran a la lente. Cuanto menor sea la longitud de onda empleada y más ancho el cono de luz, menor será el límite de resolución y, en consecuencia, mayor el poder de resolución.

La medida del tamaño del cono de la emisión que puede admitir una lente se denomina abertura numérica de la lente. El límite de resolución se calcula multiplicando la longitud de onda empleada por una constante de proporcionalidad, relacionada con el grado de superposición de dos puntos para que puedan ser resueltos por el ojo humano (0.61) y dividiendo por la abertura numérica de la lente. Si el espécimen se ilumina con luz blanca, se considera la longitud de onda del verde amarillo (0.55 um), a la cual el ojo es más sensible; por lo tanto, el límite de resolución del microscopio usado en seco es de 0.61 multiplicado por 0.55 y dividido por la abertura numérica.

La abertura numérica depende de la capacidad de utilizar un mayor o menor número de rayos luminosos en la imagen. Está determinada por el diámetro efectivo de la lente en relación a su distancia focal y por el ín- dice de refracción del medio óptico. Se calcula multiplicando el índice de refracción del medio óptico por el seno de la mitad de la abertura angular.

El medio óptico es la sustancia que atraviesa la luz entre la lente y el objeto examinado. Para los objetivos en seco (lupa, menor, mayor) el medio ópti-

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co es el aire, cuyo índice de refracción es 1.0. Para el objetivo a inmersión es el aceite de inmersión, cuyo índice de refracción es 1.53. El ángulo de abertura es el formado por los rayos más externos que penetran a la lente.

B.3. Penetración

Es la capacidad de un sistema óptico de permitir la observación detallada simultánea de varios planos del espesor del espécimen estudiado, siguiendo el eje óptico por sobre y bajo el nivel de enfoque. Corresponde a la profundidad de campo del objetivo. La profundidad de campo es la zona por delante y por detrás del espécimen dentro de la cual la nitidez es aceptable.

Se relaciona con la profundidad focal, zona de nitidez que se extiende a cada lado del plano donde se forma la imagen. La profundidad de campo es igual a la profundidad focal dividida por el aumento al cuadrado.

El poder de penetración disminuye a mayores aumentos y se incre- menta con aberturas numéricas mayores. Con objetivos de mayores aumentos la disminución de la profundidad de campo se compensa con el mando micrométrico, que permite cambiar la posición de enfoque en forma gradual y controlada.

B.4. Definición

Es la capacidad de producir imágenes de contornos definidos, nítidos y correctos. Los mejores poderes de definición se encuentran en sistemas de lentes objetivos con alto grado de corrección óptica, que eliminan al máximo las aberraciones mediante lentes de diferente índice de refracción y distinta dispersión, y oculares compensados tipo Huygens. Existen lentes con diferentes grados de corrección de las aberraciones: acromáticos, apocromáticos, semiapocromáticos. Los más utilizados y más económicos son los acromáticos, en los que está corregida la aberración esférica de un color y la aberración cromática de dos colores.

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B.5. Luminosidad

La luminosidad es la impresión visual de la luz reflejada o emitida por una superficie. La luminosidad de la imagen microscópica depende de la fuente de iluminación, condensador, filtros, medio óptico y luminosidad del objetivo. La fuente lumínica más utilizada es la lámpara incandescente.

Para una iluminación más eficaz se emplea un filamento compactado, con bobinado en espirales aplanadas o en cortina y bajo voltaje (6 a 12 V). El sistema básico de iluminación más ampliamente utilizado es la iluminación con doble diafragma de Kehler, que emplea un diafragma de campo a nivel de lámpara colectora y un diafragma de abertura.

La luminosidad de una lente depende de la abertura dada en valores llamados números f/. El número f/ es el cociente de la distancia focal por el diámetro. La cantidad de luz que recibe el objetivo desde el espécimen se incrementó con el cuadrado de su abertura numérica.

Los filtros son discos de cristal de caras planas que se interponen en el trayecto de los rayos luminosos antes del condensador. Los filtros de difusión proporcionan un campo luminoso uniforme; los de luz día son azules y absorben el exceso de radiación amarilla y roja procedente de filamentos incandescentes, los de absorción son grises, absorben determinado porcentaje de luz cuando esta es excesiva.

C. PARTES DEL MICROSCOPIO ÓPTICO CONVENCIONAL

Los microscopios ópticos constan de dos tipos de componentes: la parte mecánica y la parte óptica. A los componentes básicos se agregan accesorios opcionales.

C.1. Componentes mecánicos (“montura”)

Piezas fijas, que sirven como soporte para el sistema óptico (estativo); y piezas móviles, que intervienen en la ubicación adecuada de la preparación (enfoque, centrado y sujeción de la preparación).

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1. Base o pie: pieza horizontal maciza, de forma variable, pesada, situada en la parte inferior del microscopio, al que sirve de apoyo y da estabilidad. Generalmente lleva asociada la fuente luminosa.

2. Empuñadura o brazo: pieza vertical más o menos curvada que se une al tubo, a la platina y a la base. Sirve para tomar al microscopio durante su traslado y lleva los controles de enfoque.

3. Cabezal: pieza hueca, típicamente cilíndrica (cuando es así se le deno- mina tubo) en la que se insertan los tubos portaoculares y el portaobjeti- vos. A través del cabezal se observa la imagen microscópica, sirviendo para sostener a los componentes ópticos y mantenerlos a la distancia correcta. Puede ser monocular o binocular. En los modelos binoculares cada montura de los tubos portaoculares está rodeada por anillos que permiten ajustar la longitud del tubo, y los tubos portaoculares pueden desplazarse horizontalmente, lo que permite graduar su distancia.

4. Portaobjetivos múltiples (revólver): pieza giratoria con topes fijos que sostiene a los tubos portaobjetivos de diferente aumento. Se desplaza horizontalmente para colocar en posición de observación a cualquiera de ellos.

5. Platina lisa o fija: pieza plana horizontal ubicada entre el objetivo y el condensador, con un orificio central circular que permite el paso de los rayos luminosos provenientes del condensador, y sobre el cual se coloca la preparación para ser observada.

6. Platina mecánica o móvil (carro): dispositivo acoplado a la platina lisa que sujeta al portaobjetos y permite su desplazamiento. Es un sistema de piñones que actúan sobre cremalleras ubicadas perpendicularmente entre sí, produciendo desplazamiento horizontal en sentido lateral y anteroposterior, lo cual permite ubicar y fijar la zona de la prepara- ción que desea observarse. Lleva incorporadas dos pinzas que entran a presión y sujetan la preparación, y escalas graduadas para medir sus desplazamientos.

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7. Subplatina: conjunto de piezas situadas bajo la platina y que soportan al aparato de iluminación. Su composición varía según el modelo, pero en general consiste en un aro que sostiene al condensador, el que se mueve de arriba-abajo mediante un tornillo; también contiene anillos portafiltros, que alojan cristales que mantienen la luz adecuada constan- te; y un diafragma-iris, que regula la entrada de la luz y se controla con una palanca lateral, lo que permite obtener distintos tamaños del cono luminoso que entra en el condensador.

8. Controles de enfoque: dos o cuatro botones ubicados en la empuñadu- ra o columna que desplazan a la platina fija o al cabezal, según el modelo, lo cual permite enfocar con precisión. Corresponden a uno o dos botones macrométricos, o de enfoque aproximado, y uno o dos botones micrométricos, de enfoque fino. Los botones o mandos macrométricos son más grandes y de avance rápido, sirven para buscar rápidamente un punto aproximado al del enfoque. Si hay dos botones macrométri- cos, se enfrentan a ambos lados del brazo y están sincronizados, basta mover a uno de ellos. Los botones o mandos micrométricos producen movimientos lentos y permiten obtener un enfoque exacto. Si son dos, también están sincronizados. En algunos modelos de microscopios existe un solo botón que cumple funciones de macrométrico y micro- métrico: a igual velocidad de giro el movimiento de la platina es más rápido cuanto más lejos se halla la preparación del plano de enfoque.

C.2. Componentes ópticos

Piezas implicadas en la formación de la imagen. Incluye tres sistemas de lentes que funcionan armónicamente entre sí y una fuente de iluminación.

1. Condensador: sistema de lentes convergentes de gran abertura que concentra la luz visible procedente de la fuente luminosa y la proyecta uniformemente sobre una muestra de tejido convenientemente prepa- rada. Está montado en un armazón metálico sujeto a la parte inferior de la platina fija y puede subirse y bajarse a voluntad accionando un

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control ubicado lateralmente. Cuanto mayor sea el poder amplificador del objetivo, tanto más alto debe estar el condensador.

2. Sistema de objetivos: complejo sistema de lentes ubicados próximos al objeto, que actúa como una sola lente convergente que recoge las longi- tudes heterocromáticas de la luz visible, entregando mayores aumentos que los del ocular y produciendo inversión de la imagen. Los objetivos participan en la primera etapa de ampliación: producen una imagen ampliada del objeto y la proyectan sobre un plano ubicado en el interior del cabezal. Cada objetivo, ubicado en el interior de un tubo (tubo portaobjetivo), puede estar formado por una lente o por un complejo sistema de lentes convergentes. Los modelos actuales presentan tres o cuatro objetivos ubicados en sendos tubos, cuya longitud se relaciona con su poder de aumento. Existen objetivos en seco y de inmersión. Los objetivos en seco (“lupa”, “aumento menor”, “aumento mayor”) se utilizan dejando aire entre ellos y la preparación; en cambio, el objetivo de inmersión se emplea colocando una gota de líquido (aceite de inmersión), cuyo índice de refracción es superior al del aire.

3. Sistema ocular: formado por dos lentes plano-convexas centradas y empotradas en un tubo metálico más o menos corto, al que se acerca el ojo del observador, en cuya retina proyecta la segunda imagen aumen- tada. La lente superior se denomina propiamente lente ocular y la infe- rior, lente de campo o frontal. Lentes adicionales corrigen las aberraciones cromáticas y esféricas. Los oculares son intercambiables y pueden tener diferentes aumentos. Permiten observar varias veces más amplificada la imagen que forma el objetivo.

4. Fuente luminosa: antiguamente era un espejo, y en la actualidad se utiliza mucho más una lámpara con filamento de tungsteno incandescente enrollado, de 6 a 12 V, montada sobre un portalámparas especial ubicado en la base del microscopio. La intensidad luminosa se regula en forma continua girando un botón o moviendo una palanca de control deslizante.

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C.3. Accesorios

Se fabrican accesorios opcionales para colocar en los modelos modernos de microscopios compuestos, los que pueden utilizarse temporalmente en los microscopios compuestos para desarrollar funciones especiales, otorgándole mayor flexibilidad al aparato. Entre ellos se cuentan accesorios para la observación simultánea de dos personas, condensadores de campo oscuro, obturador central para campo oscuro, accesorio de polarización, iluminador vertical, ocular graduado, accesorios para dibujo, accesorios para fotomicrografía.

C.4. Preparaciones

Los preparados comunes constan de dos láminas de vidrio: una rectangular, más gruesa y grande (de unos 75 mm x 25 mm), llamada portaobjeto; y otra, generalmente cuadrada, más pequeña y fina, de 0,15 mm o de 0.17 mm de grosor, llamada cubreobjeto. Después de una serie de manipulaciones, el material que se va a estudiar se coloca sobre el portaobjeto y se le pega encima el cubreobjeto, lográndose así preparaciones permanentes. Pueden realizarse observaciones directas de protozoos, algas o rotíferos, por ejemplo, colocándolos sobre una gota de agua encima del portaobjeto y aplicando luego el cubreobjeto encima.

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V. PROCEDIMIENTOS

1. Reconozca las partes del microscopio óptico convencional y nomínelas en el siguiente esquema:

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2 . USO DEL MICROSCOPIO

1. Siéntese cómodo frente al microscopio, enchufe el cable y oriente el mi- croscopio con el ocular hacia Ud.

2. Verifique que el objetivo lupa está en posición de trabajo, si no es así colóquelo en esa posición accionando el portaobjetivos múltiple. Coloque el condensador en su posición más alta y abra totalmente el diafragma.

3. Encienda la lámpara incorporada a la base y regule la luminosidad mo- viendo la palanca de control deslizante. Sin retirar la vista de los oculares, ajuste los tubos portaoculares a su distancia interpupilar desplazándolos lateralmente con ambas manos hasta ver una sola imagen. Si presenta diferencias de visión entre ambos ojos, observe con el ojo derecho por el ocular correspondiente y enfoque hasta que la imagen esté nítida.

Luego observe con el ojo izquierdo por el ocular izquierdo y ajuste la escala del tubo portaocular izquierdo sin tocar los mandos de enfoque.

4. Sostenga en forma inclinada un trozo de papel sobre el agujero de la platina lisa, de modo que incida sobre él un haz luminoso, lateralmente.

Mueva la palanca del diafragma y observe sobre el papel inclinado las variaciones en el haz luminoso y el grado de nitidez de sus bordes.

¿Cómo varía la iluminación al abrir y al cerrar el diafragma?

¿Qué papel cumple el diafragma?

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5. Sin sacar la vista de los oculares, desplace hacia abajo y arriba el conden- sador mediante el control correspondiente. ¿Qué variación se produce en la iluminación al desplazar el condensador?

Suba el condensador al máximo. Ajuste con el diafragma la abertura del condensador a la abertura del objetivo, para lo cual cierre el diafragma gradualmente hasta que se aprecie una disminución de la luz. ¿Qué papel cumple el condensador? Anote sus observaciones y deducciones:

6. Observe el color de la luz que sale de la lámpara y compárelo con el color de la luz que incide sobre la platina. Observe el filtro ubicado en un anillo portafiltros bajo el condensador. ¿Qué papel cumplen los filtros en la iluminación?

7. Gire el portaobjetivos múltiple y observe la nomenclatura impresa en cada tubo portaobjetivo. Generalmente se anotan las siguientes series de números o letras: (a) aumento del objetivo; (b) abertura numérica; (c) longitud del tubo del microscopio, en milímetros, para el cual está cal- culado el objetivo (si no aparece, el objetivo tiene corrección al infinito);

(d) espesor máximo en milímetros que debe tener el cubreobjetos de la preparación (si no aparece, este no es un factor crítico). Si aparecen las letras “Oel” significa que la preparación debe observarse con aceite de inmersión; la indicación “Apo” significa que el objetivo es apocro- mático. Adicionalmente llevan una banda de color para distinguir el aumento: roja (lupa), amarilla (menor), verde o azul (mayor) y negra

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(a inmersión). Anote la nomenclatura que aparece en su microscopio e interprétela.

8. Coloque sobre la platina lisa una preparación con una letra impresa ha- cia arriba, orientada correctamente. Fíjela en esa posición con las pinzas y céntrela desplazando el carro hasta dejarla sobre el orificio central de la platina lisa.

9. Mirando por los oculares baje lentamente la platina fija mediante el control de enfoque macrométrico, hasta desenfocar. Luego suba la platina con el control de enfoque macrométrico, mirando por fuera para evitar un choque con la preparación, hasta que el objetivo esté cerca de la prepa- ración, sin tocarla. Mirando por el ocular baje lentamente la platina con el mando macrométrico hasta que aparezca la imagen borrosa. Afine mediante el control de enfoque micrométrico hasta que la imagen sea níti- da. ¿Cuál es la utilidad de los controles macrométrico y micrométrico?

¿En qué se diferencian?

10. Observe a través del objetivo lupa manteniendo ambos ojos abiertos.

¿Cómo es el entintado de la letra vista al microscopio? ¿Es discontinuo o continuo?

¿Cómo varía respecto a su apariencia a ojo desnudo?

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11. ¿Qué propiedad del microscopio que lo hace superior al ojo humano se manifiesta en la observación realizada del entintado?

12. ¿La letra se ve derecha o invertida?

13. Sin dejar de observar, mueva el carro de derecha a izquierda y de izquierda a derecha, y desde atrás hacia adelante y en sentido contrario.

¿Hacia dónde se desplaza la imagen en cada caso?

14. Coloque el objetivo de aumento menor en posición de trabajo, girando el por- taobjetivos múltiple. Escuchará un ruido de piñón (clic) cuando el ob- jetivo quede alineado correctamente en su sitio. ¿Hay variación en el enfoque?

15. Recuerde que siempre para cambiar de objetivo hay que tener enfocado el objetivo inmediato anterior. Si los objetivos de su microscopio son parafocales, no debería haber variación de enfoque; pero con el uso pue- de que esta propiedad esté alterada. En tal caso, enfoque con el control micrométrico.

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16. Conseguido el enfoque, recorra lentamente la preparación. Si se produce un ligero desenfoque, corrija accionando el control micrométrico. Mientras observa, con una mano debe accionar la platina móvil y con la otra el con- trol micrométrico. Dibuje el cam- po visual con aumento de lupa y con aumento menor, y la letra en proporción en cada caso.

17. ¿Cuál es la relación entre el aument o del lente y la amplitud del campo visual?

18. Una imagen puede ser real o virtual. ¿Qué tipo de imagen es la observada? ¿Por qué?

19. ¿Cuáles son las tres características que tiene la imagen final obtenida con el microscopio compuesto?

20. ¿Cuántas imágenes y en qué orden se forman del objeto en observación desde la preparación hasta nuestros ojos?

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21. ¿Qué tipo de imagen forman el ocular y el objetivo, por separado?

22. Terminada la observación, saque la preparación. Para sacar la prepara- ción siempre debe colocar previamente en posición de enfoque el objetivo más pequeño (lupa). Si va a observar otra preparación, comience siempre a observar con el objetivo lupa.

3. ESTIMACIÓN DE DIMENSIONES CON EL MICROSCOPIO

1. Coloque sobre la platina un portaobjetos con un centímetro cuadrado de papel milimetrado. Observando con lupa, coloque el comienzo de un cuadro en el inicio del campo visual y cuente el número de cuadros en el diámetro del campo. ¿Cuánto mide el campo visual observado con lupa? Expréselo en micrómetros.

2. Observe con aumento menor y cuente. ¿Cómo se modifica el campo al pasar de aumento lupa a menor?

3. Considerando la relación inversa entre sus aumentos y la amplitud del campo visual, complete el cuadro con los distintos objetivos:

Lente Aumento objetivo Aumento ocular Aumento total Diámetro de campo Lupa

Menor Mayor Inmersión

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4. Al finalizar la actividad, el microscopio debe dejarse limpio, con el objetivo lupa en posición de enfoque, la luz apagada y desenchufado.

VI. PREGUNTAS PARA DISCUSIÓN Y AUTOEVALUACIÓN 1. ¿Qué factores determinan la elección del tipo de microscopio que debe

utilizarse en una situación particular de estudio biológico?

2. ¿Qué tipo de información se mejoró con el uso del microscopio de contraste de fase y cuál con el microscopio electrónico?

3. ¿Qué características debe tener un objeto biológico para poder ser observado al microscopio óptico convencional y cómo se consiguen tales características?

4. ¿Qué propiedades del microscopio, y por qué razón, se favorecen con la utilización de aceite de inmersión?

5. Realice una clasificación de los diferentes tipos de microscopios.

6. ¿Por qué debe centrarse lo que nos interesa observar en una preparación antes de pasar a mayor aumento?

7. Resuma todos los pasos que deben seguirse para observar una prepara- ción correctamente.

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VII. NOTAS Y COMENTARIOS

* A veces se llama “lupa” al microscopio de disección o estereoscópico.

La verdadera lupa está formada por una sola lente (o un único sistema de lentes) de distancia focal corta, que proporciona una imagen vir- tual, derecha y aumentada. Si la lupa está montada se llama microscopio simple. El microscopio de disección o estereoscópico es un tipo de mi- croscopio compuesto, porque incluye dos sistemas de lentes (objetivos y oculares).

* Respecto al microscopio electrónico, algunos alumnos tienden a afir- mar que “utiliza como fuente lumínica un haz de electrones”. Eviden- temente, un haz de electrones no corresponde a una “fuente lumínica”, debe decir “microscopio que utiliza un haz de electrones en lugar de una fuente lumínica”. El microscopio electrónico es, esencialmente, un instrumento que emplea haces de electrones para formar las imágenes, en vez de rayos luminosos, como utiliza el microscopio óptico.

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I. COMPETENCIAS POR DESARROLLAR

Al finalizar el trabajo práctico, el estudiante será capaz de:

1. Conocer la composición química del protoplasma.

2. Comprender las características estructurales y funcionales de los principales tipos de moléculas orgánicas.

3. Determinar, sobre la base de algunas pruebas químicas, moléculas or- gánicas.

4. Caracterizar al protoplasma desde el punto de vista físico.

5. Explicar las características de las soluciones cristaloides, sistemas coloidales y suspensiones groseras, de acuerdo al tamaño de sus partículas y otros aspectos.

6. Conocer fenómenos fisicoquímicos propios de las soluciones coloidales.

7. Formular hipótesis para explicar el comportamiento de las soluciones observadas en laboratorio.

PROTOPLASMA: SU NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA

CAPÍTULO II

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II. CONCEPTOS BÁSICOS

Conceptos básicos que el estudiante debe revisar previamente al trabajo práctico:

l. Composición química del protoplasma.

2. Características de los diferentes tipos de biomoléculas.

3. Composición física del protoplasma.

4. Características de las soluciones cristaloides, coloidales y suspensiones groseras.

III. MATERIALES

Acido nítrico concentrado; hidróxido de sodio; solución de glucosa;

solución de albúmina; solución de tiosulfato de sodio (0.1 N); solución acuosa de almidón (0.6%); solución de lugol; reactivo Fehling A; reactivo Fehling B; hielo; tubos de ensayo (8 por grupo) y gradilla; pinzas de madera; mechero; microscopio (1 por grupo); portaobjetos (5 por grupo);

cubreobjetos; vasos de precipitado (2 por grupo); pipetas; material biológico para analizar, seleccionado anticipadamente y distinto por grupo: pescado, lechuga, fruta, papa, carne u otro, fósforos, gelatina en polvo, tinta china, tierra arcillosa, linterna.

IV. CONCEPTOS TEÓRICOS A. INTRODUCCIÓN

La Biología actual analiza los sistemas vivientes de acuerdo a las leyes conocidas de la Física y la Química. Cualquier diferencia entre los sistemas vivientes y los inertes tiene un fundamento fisicoquímico. Los fenómenos fisicoquímicos que ocurren en el protoplasma (hidrostáticos,

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hidrodinámicos, capilares, electroquímicos, de selectividad, motilidad, elasticidad, viscosidad, etc.) son consecuencia del tipo de sustancias que lo conforman, su forma, estado físico y distribución. Las propiedades vitales resultan de la interacción de innumerables reacciones fisicoquímicas específicas, organizadas y reguladas.

Los sistemas biológicos obedecen a la Física y la Química en sus estructuras fundamentales y funciones básicas, pero sus “propiedades emer- gentes” no son predecibles o comprensibles por la simple observación de sus partes. Algunos estudios recientes han trazado las líneas generales de una teoría de la evolución que promete arrojar luz sobre esta sorprendente característica de los organismos vivientes.

El científico belga de origen ruso Ilya Prigogine (1917-2003), mere- cedor en 1977 del premio Nobel de Química, desarrolló la física de los procesos de no equilibrio, de la dinámica de los sistemas dinámicos inestables, la autoorganización y las estructuras disipativas. Demostró que en estados de no equilibrio, bajo la influencia de fenómenos termodinámicos, aparecen nuevas estructuras ordenadas. Con las teorías de Ilya Prigogine puede entenderse que los orígenes de la vida no fueron una coinciden- cia, y que cabe la posibilidad de que la ciencia llegue a seguir sus rastros;

es decir, queda desvanecida la teoría sustentada por no pocos científicos según la cual la formación del universo se debió a la casualidad. En los sistemas dinámicos inestables, como el organismo viviente, se reconoce el papel primordial de las fluctuaciones y la inestabilidad. La teoría del caos y la nueva ciencia de la complejidad aportan una mejor descripción de ese fenómeno biológico de inestabilidad fluctuante.

A.1. Bioelementos

La organización extremadamente compleja del protoplasma viviente requiere moléculas especializadas. Los elementos químicos que conforman a los organismos vivos son los mismos que constituyen el mundo físico inerte; y no podría ser de otra manera, porque existe un paso continuo de sustancias entre los seres vivos y su medio físico. En los sistemas vivos no

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existen elementos raros ni inusuales, se trata de elementos comunes; por lo tanto, las características vitales no dependen de la naturaleza de sus constituyentes, sino de su organización.

Hoy no cabe duda que la vida depende del comportamiento ordinario de átomos y moléculas de acuerdo con las mismas leyes que gobiernan a la materia inerte, y que descansan sobre la física cuántica. De los 92 elementos químicos naturales presentes en nuestro planeta, en los seres vivos se encuentran solo unos 20, en proporciones distintas a las de su ambiente externo inerte. La evolución biológica ha seleccionado a los elementos atendiendo a sus características químicas, que les confieren la posibilidad de dotar a los organismos de las propiedades vitales. El oxígeno es el elemento más abundante, tanto en la Tierra como en los seres vivos. Repre- senta el 50.02% del peso del conjunto formado por la litósfera, la atmósfera y la hidrósfera, y el 60.81% del peso corporal humano. Los dos siguientes elementos en abundancia en la zona indicada de nuestro planeta son el silicio (25.8%) y el aluminio (7.30%), los que están ausentes o se encuentran en cantidades insignificantes en los sistemas vivientes.

Los bioelementos se clasifican en tres grupos: macroelementos, microelementos y oligoelementos.

A.1.1. Macroelementos

Son los bioelementos más abundantes: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y carbono. Su conjunto representa el 95.5% en peso de los organismos vivos.

Se trata de los elementos más livianos que forman fácilmente enlaces covalentes. Aceptan uno (hidrógeno), dos (oxígeno), tres (nitrógeno) o cuatro electrones (carbono). El oxígeno, el carbono y el nitrógeno son los únicos elementos que forman regularmente enlaces dobles o triples.

El carbono es el elemento más típico de la materia viva, desempeña un papel central en la organización de sus moléculas, porque puede unirse covalentemente con otros cuatro átomos, incluyendo a otros de carbono.

Forma la columna vertebral de una enorme variedad de moléculas y ma-

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cromoléculas bastante estables, lineales, ramificadas o cíclicas, en las que se asocia especialmente al hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo, con propiedades muy diversas.

El nitrógeno es esencial para la constitución de las principales macro- moléculas portadoras de información: proteínas y ácidos nucleicos.

A.1.2. Microelementos

Son bioelementos presentes en todos los seres vivos en porcentajes comprendidos entre 0.02 y 0.1 átomos por ciento. A este grupo pertenecen dos elementos que forman parte de importantes moléculas orgánicas: azufre y fósforo. El azufre forma sulfato y se encuentra en algunas moléculas orgánicas, como en ciertos glúcidos (por ejemplo, condroitínsulfatos), lípidos (por ejemplo, sulfátidos) y proteínas (en los aminoácidos cisteina y metionina). El azufre cumple un importante papel en la disposición espacial de las moléculas proteicas, formando puentes disulfuro. El fósforo se encuentra en las sales minerales del hueso y en moléculas orgánicas complejas, tales como fosfolípidos, glucosa- fosfato, fosfoproteínas. El fósforo se encuentra en forma de fosfato en los nucleótidos y ácidos nucleicos, y se encuentra también en los compuestos llamados macroérgicos, como la fosfocreatina y el ATP, en los que forma ésteres cuya hidrólisis libera grandes cantidades de energía; por lo cual, se utilizan en la transferencia de energía metabólica.

Los demás microelementos son iones monoatómicos que forman soluciones salinas diluidas: sodio, potasio, cloro, calcio y magnesio. La diferencia en los niveles de sodio y potasio dentro y fuera de la célula es la base de la transmisión de los impulsos nerviosos. El cloro participa especialmente en la regulación de la presión osmótica. El calcio interviene en la contracción muscular y la coagulación sanguínea, además de formar parte de las sales de huesos y dientes. El magnesio forma parte de la molécula de clorofila.

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A.1.3. Oligoelementos

Son elementos que se encuentran en los seres vivos en cantidades infinitesimales (elementos ultratraza): menos de 0,001 átomos por ciento.

Algunos parecen ser necesarios para todos o casi todos los organismos vivientes: manganeso, fierro, cobre, cobalto, yodo, zinc. Otros parecen no ser universales en la materia viva: boro, aluminio, vanadio, molibdeno, silicio, selenio, cromo, galio.

La mayoría de los oligoelementos son elementos de transición, tienen valencias variables, comportándose como receptores o como dadores de electrones, y forman fácilmente moléculas complejas. Generalmente ac- túan como cofactores enzimáticos. El yodo forma parte de las hormonas tiroideas; el cobalto se encuentra en la vitamina Bl2; el fierro en la hemoglobina, mioglobina y citocromos; el cobre forma parte de pigmentos respi- ratorios de invertebrados, por ejemplo, en los moluscos.

B. NIVEL MOLECULAR B.1. Agua

En el agua surgieron los primeros seres vivos. Molécula simple y extraña, su comportamiento la convierte en diferente a la mayoría de los líquidos.

Durante la evolución de la vida, los organismos se adaptaron al ambiente acuoso y desarrollaron sistemas que les permiten aprovechar sus inusitadas propiedades. Es el componente mayoritario de los seres vivos, pues constituye entre el 65 y el 95% de su peso.

B.2. Sales minerales

Además del agua, existen otras moléculas inorgánicas, como las sales minerales, disociadas en iones o en estado sólido. Se distinguen dos tipos:

insolubles en agua e hidrosolubles. Las sales insolubles en agua forman estructuras sólidas que suelen tener función protectora o de sostén, como

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en el endoesqueleto de vertebrados, en el que hay fosfatos, cloruros y carbonatos de calcio; caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y conchas de moluscos; endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con sílice); y estatoconias del oído interno, formadas por cristales de carbonato cálcico y que participan en el equilibrio.

El calcio forma parte del “cemento” intercelular, que condiciona la coherencia celular en los tejidos. Las sales disociadas en sus iones (cationes y aniones) tienen funciones catalíticas (algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+, actúan como cofactores enzimáticos), osmóticas (intervienen en los procesos relacionados con la distribución de agua entre el interior celular y el medio celular), generadoras de gradientes electroquímicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de acción y en la sinapsis neuronal (iones de Na+, K+, Cl- y Ca2+) y función tamponadora (equilibrio ácido-base), efectuada por los sistemas carbonato-bicarbonato y también por el monofosfato-bifosfato.

Existen cuatro grandes familias de moléculas orgánicas, caracteriza- das por el enlace C-H. Estos cuatro tipos fundamentales son glúcidos, lí- pidos, proteínas y ácidos nucleicos. Con excepción de los lípidos, forman subunidades (monómeros) que pueden asociarse en gran número y cons- tituir macromoléculas (polímeros). Existen polímeros formados por una sola clase de monómeros, por ejemplo, celulosa; otros están formados por diversos monómeros, por ejemplo, insulina; y algunos reúnen monómeros de tipos diferentes de moléculas fundamentales, por ejemplo, glucopro- teínas.

B.3. Glúcidos

Los glúcidos incluyen a los monosacáridos o azúcares simples, sus derivados y sus polímeros. Derivan más o menos directamente del anhídrido carbónico y agua en la fotosíntesis, y son los principales combustibles en la respiración. Antiguamente se conocieron como hidratos de carbono o carbohidratos, nombres que deben evitarse. Los glúcidos corresponden al tipo de moléculas orgánicas más abundantes en nuestro planeta. En el organismo se transforman unos en otros según las

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necesidades. Su principal función es energética. La mayoría de los glúcidos puede incorporarse a las vías metabólicas de la glucosa, que en general en nuestro organismo tiene tres destinos: oxidarse con gran liberación de energía (glicólisis, respiración), transformarse en material de reserva como glucógeno (glucogenogénesis) o transformarse en material de reserva como grasa, a través del metabolismo intermediario.

B.3.1. Monosacáridos o azúcares simples (osas)

Los monosacáridos son glúcidos sencillos, aquellos que no pueden subdividirse en unidades menores que mantengan las características químicas del grupo. Los azúcares tienen varias funciones, pero principalmente son una gran fuente de energía y tienen un importante papel en la conformación y estructura de las células. Los monosacáridos son biomoléculas formadas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Los átomos de carbono están unidos a grupos alcohólicos (−OH), llamados radicales hidroxilo; y a hidrógeno (−H). En todos ellos hay un grupo carbonilo, es decir, un carbono unido a un oxígeno mediante un doble enlace (C=O). El grupo carbonilo puede ser o un grupo aldehído (−CHO) en el primer carbono o un grupo cetónico (−CO−) en el segundo.

Así pues, los monosacáridos pueden definirse como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas de 3 a 10 átomos de carbono, con una función aldehídica (CHO) en el primer carbono o con una función cetónica (C=O) en el segundo carbono. Son muy solubles en agua, de sabor dulce y fuertemente reductores.

Los monosacáridos se clasifican en aldosas (con grupo aldehido) o cetosas (con grupo cetónico). También se clasifican según el número de carbonos, y se nombran añadiendo la terminación -osa al número de carbonos.

En disolución acuosa, la mayoría de las moléculas de monosacáridos con cinco o más átomos de carbono se cierran formando anillos de 5 o 6 lados, al formar un puente de oxígeno entre el carbono anomérico (que

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lleva el grupo aldehído o el grupo cetónico) y otro carbono. La estructura cíclica que se forma es hexagonal (piranósica) o pentagonal (furanósica).

A continuación, se representa a la glucosa en su fórmula lineal y cícli- ca, esta última formando un anillo de 6 lados, que corresponde al esque- leto pirano. Al cerrarse la molécula, el −OH puede ocupar dos posiciones respecto al grupo −CH2OH del carbono 6. Son dos isómeros denominados anómeros alfa (en posición trans) y beta (en posición cis).

Los principales derivados de monosacáridos desoxiazúcares (como las metilpentosas o la desoxirribosa), azúcares ácidos (como los ácidos urónicos), osaminas o azúcares aminados (como la glucosamina o la galac- tosamina), alcohol-azúcares (como los ciclitoles) y azúcares-fosfato (como la glucosa-fosfato).

B.3.2. Disacáridos

Se forman por condensación de dos moléculas de monosacáridos con formación de un enlace glucosídico y pérdida de una molécula de agua.

Por hidrólisis se transforman en monosacáridos.

B.3.3. Oligosacáridos

Se forman por condensación de tres a ocho moléculas de monosacáridos, con pérdida de una molécula de agua en cada enlace glucosídico formado.

Por hidrólisis se transforman en disacáridos y monosacáridos. Entre los oligosacáridos se cuentan la rafinosa, la maltotriosa y la gencianosa.

B.3.4. Polisacáridos

Se forman por condensación de entre 11 y varios miles de moléculas de monosacáridos, con pérdida de una molécula de agua en cada enlace glucosídico formado. Tienen pesos moleculares muy elevados, no poseen

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poder reductor y pueden desempeñar funciones de reserva energética o función estructural. Por hidrólisis se transforman en oligosacáridos, disacáridos y monosacáridos. Se subdividen en homopolisacáridos y heteropolisacáridos. Los homopolisacáridos están formados por un solo tipo de monosacárido (o al menos el 95% de sus componentes es un solo tipo).

Por ejemplo, las glucosanas, formadas solamente por glucosas (almidón, glucógeno, dextranos, celulosa), y las fructosanas, formadas solamente por fructosa (inulina). Los heteropolisacáridos están formados por varios tipos de monosacáridos; entre ellos se encuentran las hemicelulosas y los glucosaminoglicanos.

Los polisacáridos que tienen función de reserva energética presentan enlace a-glucosídico y son:

1. Almidón: polisacárido de reserva propio de los vegetales, integrado por dos tipos de polímeros:

1.1. Amilosa, formada por unidades de maltosa, unidas mediante enlaces a (1-4). Presenta estructura helicoidal.

1.2. Amilopectina, formada por maltosas unidas por enlaces a (1-4), con ramificaciones en posición a (1-6); por lo tanto, su hidrólisis produce tanto maltosa como isomaltosa.

2. Glucógeno: polisacárido propio de animales y hongos. Se encuentra abundantemente en el hígado y en los músculos. Molécula muy similar a la amilopectina; pero con mayor proporción de ramificaciones.

Entre los polisacáridos estructurales destaca la celulosa, que forma la pared celular de la célula vegetal. La celulosa está constituida por unidades de b-glucosa, y la peculiaridad del enlace b (beta) hace a la celulosa inatacable por las enzimas digestivas humanas; por ello, este polisacárido no tiene valor alimenticio para el ser humano.

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B.4. Lípidos

Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas básicamente por carbono e hidrógeno y, generalmente, también oxígeno en porcentaje mucho más bajo. Pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre. Forman un grupo heterogéneo de sustancias, insolubles o relativamente insolubles en agua; solubles en uno o más solventes orgánicos apolares (benzol, etanol, acetona, éter, cloroformo), y emparentadas real a potencialmente con los ácidos grasos. Tienen pesos moleculares relativamente bajos (entre 250 y 2.500). Son untuosos al tacto, brillantes y poco densos. No son polímeros, pero espontáneamente se agrupan en grandes complejos moleculares.

B.4.1. Funciones de los lípidos

Los lípidos desempeñan cuatro tipos de funciones:

1. Función de reserva. Son la principal reserva energética del organismo.

Un gramo de grasa produce 9'4 kilocalorías en las reacciones metabóli- cas de oxidación, mientras que proteínas y glúcidos solo producen 4'1 kilocaloría/gr.

2. Función estructural. Forman las bicapas lipídicas de las membranas.

Recubren órganos y les dan consistencia o protegen mecánicamente, como el tejido adiposo de pies y manos.

3. Función biocatalizadora. Favorecen o facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres vivos. Cumplen esta función las vitaminas lipídicas, las hormonas esteroideas y las prostaglandinas.

4. Función transportadora. El transporte de lípidos desde el intestino hasta su lugar de destino se realiza tras su emulsión, gracias a los ácidos biliares y a los proteolípidos.

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B.4.2. Ácidos grasos

Son cadenas hidrocarbonadas (carbonos unidos a hidrógenos); por lo general de tipo lineal, con un número par de átomos de carbono (entre 4 y 24), con un grupo carboxilo (−COOH) en un extremo. El extremo carboxilo es altamente polar, soluble en agua; la porción hidrocarbonada de la cadena es apolar, hidrófoba. Por lo tanto, en solución acuosa los ácidos grasos tienden a formar una lámina, con la zona del grupo carboxilo incorporada en el agua y la zona hidrófoba fuera de la misma. Los ácidos grasos que poseen 2, 3 o 4 dobles enlaces deben ser incorporados en la dieta, porque no los pueden sintetizar los seres humanos, por lo cual se denominan áci- dos grasos esenciales.

Se conocen unos 70 ácidos grasos, que se clasifican en dos grupos:

Ácidos grasos saturados: tienen todos sus átomos de carbono unidos entre sí mediante enlaces simples. Son ejemplos de este tipo de ácidos el mirístico (14C); el palmítico (16C) y el esteárico (18C).

Ácidos grasos insaturados: tienen uno o varios enlaces dobles en su cadena, sitios en los cuales sus moléculas presentan codos, con cambios de dirección. Son ejemplos el oleico (18C, un doble enlace) y el linoleico (18C y dos dobles enlaces).

B.5. Aminoácidos, péptidos y proteínas

Son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Pueden además contener azufre, y en algunos tipos de proteínas hay fósforo, hierro, magnesio o cobre, entre otros elementos.

B.5.1. Aminoácidos

En disolución acuosa, los aminoácidos muestran un comportamiento anfótero; es decir, pueden ionizarse dependiendo del pH, como un ácido,

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liberando protones (−COO'), o como base, porque los grupos −NH2 captan protones y quedan como −NH3+. Pueden aparecer como ácido y base a la vez, en este caso se ionizan doblemente, apareciendo una forma dipolar iónica llamada zwitterion.

B.5.2. Enlace peptídico

El enlace peptídico es un enlace covalente que se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, desprendiéndose una molécula de agua. El enlace peptídico tiene un comportamiento similar al de un enlace doble, es decir, presenta una cierta rigidez que inmoviliza en un plano los átomos que lo forman.

Dos o más residuos de aminoácidos unidos entre sí por enlaces peptí- dicos forman un péptido. Los péptidos con entre dos y nueve aminoácidos se denominan oligopéptidos; los con entre diez y 50 aminoácidos, polipépti- dos; y los con 51 o más, proteínas. Los polipéptidos y proteínas se diferen- cian de los oligopéptidos porque dan la reacción de Biuret y no pueden atravesar las biomembranas. Las proteínas son macromoléculas complejas de elevado peso molecular. Forman aproximadamente el 50% del peso seco celular animal y son indispensables para las estructuras y funciones de los seres vivos.

B.5.3. Estuctura de las proteínas

La organización de una proteína está definida por cuatro niveles estructurales denominados estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Cada una de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio. La estructura proteica se describe en cuatro niveles de organización, el cuarto de los cuales es propio de las proteínas oligoméricas.

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B.5.3.1. Estructura primaria

Es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que esta adopte. La estructura primaria está determinada por los enlaces peptídicos y es la traducción colineal de una secuencia de nucleótidos de ARN mensajero.

B.5.3.2. Estructura secundaria

Es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio a lo largo de su eje, y está determinada mediante puentes de hidrógeno entre residuos de aminoácidos cercanos. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas, y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable. Existen dos tipos principales de estructura secundaria: (alfa)-hélice y la conformación (beta).

1. Alfa-hélice: se forma al enrollarse helicoidalmente sobre sí misma la estructura primaria. Se debe a la formación de enlaces de hidrógeno entre el C=O de un aminoácido y el NH− del cuarto aminoácido que le sigue.

2. Conformación beta: los aminoácidos no forman una hélice sino una cadena en forma de zigzag, denominada disposición en lámina plegada.

Esta estructura secundaria presenta la queratina de la seda o fibroína.

Otro tipo de estructura secundaria es el enrollamiento al azar. Los colágenos presentan una estructura secundaria única entre las proteínas, llamada superhélice triple.

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B.5.3.3. Estructura terciaria

Informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al plegarse sobre sí misma. Es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y, por lo tanto, la terciaria. La estructura terciaria es la disposición espacial completa de la cadena, adoptada al alcanzar el estado de mínima energía libre, doblándose y formando el mayor número de enlaces de diferente naturaleza entre residuos de aminoácidos distantes dentro de la cadena. La estructura terciaria tiende a situar hacia el interior los grupos químicos hidrófobos y hacia el exterior los grupos químicos hidrófilos. En la estructura terciaria existen varios tipos de enlaces: 1) covalentes: el puente disulfuro entre los radicales de la cisteína y el enlace isopeptídico, igual al peptídico pero entre radicales; 2) los puentes de hidrógeno; 3) los puentes salinos; 4) las interacciones hidrófobas.

B.5.3.4. Estructura cuaternaria

Corresponde a la disposición espacial completa de la proteína oligómera y está determinada mediante enlaces de diferente naturaleza, generalmente débiles (puentes de hidrógeno, puentes salinos, enlaces hidrófobos, etc.), entre residuos de aminoácidos de cadenas diferentes. Cada una de las cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero. El número de protómeros varía desde dos, como en la hexoquinasa; cuatro, como en la hemoglobina; o muchos, como la cápside del virus de poliomielitis, con 60 unidades.

B.5.4. Propiedades de las proteínas 1. Especificidad

La especificidad se refiere a su función: cada una lleva a cabo una determinada función y la realiza porque posee una determinada estructura primaria y una conformación espacial propia, por lo que un cambio en la estructura de la proteína puede significar una pérdida de la

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función. No todas las proteínas son iguales en todos los organismos, cada individuo posee proteínas específicas suyas que se ponen de manifiesto en los procesos de rechazo de órganos trasplantados. La semejanza entre proteínas son un grado de parentesco entre individuos, por lo que sirve para la construcción de “árboles filogenéticos”.

2. Desnaturalización

Consiste en la pérdida de la estructura terciaria, por romperse los puentes que forman dicha estructura. Todas las proteínas desnaturalizadas tienen la misma conformación: muy abierta y con una interacción máxima con el disolvente, por lo que una proteína soluble en agua, cuando se desnaturaliza, se hace insoluble en agua y precipita. La desnaturalización se puede producir por cambios de temperatura, variaciones del pH.

B.5.5. Funciones de las proteínas

Las proteínas cumplen variadas funciones: estructurales y mecánicas (colágeno, elastina), reserva nutritiva (ovoalbúmina, gliadina, lactoalbúmina), contráctiles (actina, miosina), enzimáticas (catalasa, deshidrogenasas), transportadoras a través de membranas (permeasas, bombas iónicas), transportadoras de sustancias en el plasma (hemoglobina, ferritina), protectoras o defensivas (queratina, inmunoglobulinas, fibrinógeno), toxinas (toxina del cólera), hormonales (insulina), reguladoras de la expresión de la información genética (histonas), etc.

B.6. Nucleótidos y ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son grandes moléculas formadas por la repetición de moleculares, que son los nucleótidos.

Un nucleótido es una molécula de bajo peso molecular que contiene residuos de una o más moléculas de fosfato, un azúcar y una base nitroge-

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nada, unidos por enlaces covalentes. Los nucleótidos libres proveen pre- cursores monoméricos para los ácidos nucleicos y cumplen importantes funciones como fuentes de alta energía (ATP, GTP), señales reguladoras (AMP cíclico, GMP cíclico o coenzimas [FMN, FAD, NADP, coenzima A]).

En los ácidos nucleicos, cada nucleótido está formado por tres componentes:

1. Un azúcar de tipo pentosa: ribosa o desoxirribosa.

2. Una molécula de fosfato.

3. Una base nitrogenada, que puede ser púrica (con dos anillos: adenina o guanina) o pirimídica (con un anillo: citosina, timina o uracilo).

Los ácidos nucleicos están formados por cadenas de nucleótidos, que se enlazan entre sí por el fosfato. En cada nucleótido, el fosfato se une al quinto carbono de la pentosa (5’) y la base nitrogenada al primer carbono de la pentosa (1’); en el tercer carbono (3’) queda un grupo OH, al que se une el fosfato del nucleótido siguiente. En consecuencia, los nucleótidos se unen entre sí mediante uniones diéster-fosfato entre los carbonos 3’ y 5’

de la pentosa.

Los ácidos nucleicos forman cadenas polinucleotídicas lineales o cir- culares, simples o dobles, generalmente no ramificadas. Pueden alcanzar tamaños gigantes, son las moléculas más grandes que se conocen, consti- tuidas por millones de nucleótidos.

Los ácidos nucleicos representan alrededor del 15% del peso seco celular. Forman el aparato genético celular, codifican las instrucciones mediante las cuales se sintetizan las proteínas específicas de la célula, con- trolan el metabolismo y experimentan las modificaciones hereditarias que sirven de base a la evolución biológica. El orden de sucesión de las bases nitrogenadas es característico de cada clase de molécula y codifica la in- formación.

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Los ácidos nucleicos presentes en los seres vivos son de dos tipos: ri- bonucleicos (ARN o RNA) y desoxirribonucleicos (ADN o DNA). La pentosa de los ARN es la ribosa; la de los ADN, la desoxirribosa. Las bases púricas principales de ambos tipos son la adenina (A) y la guanina (G), las pirimídicas principales de los ARN son la citosina (C) y el uracilo (U); de los ADN, la citosina (C) y la timina (T).

La mayoría de las moléculas de ADN presentan dos filamentos com- plementarios, excepto el ADN de ciertos virus. Ambas cadenas son anti- paralelas y los apareamientos entre ambas se producen por complemen- tación A-T y C-G, mediante tres puentes de hidrógeno entre C-T y dos puentes de hidrógeno entre A-T. En las células eucarióticas los tres tipos principales de ADN son el cromosómico, el mitocondrial y el plastidial;

los tres llevan información genética, aunque no todo el ADN celular es genéticamente activo.

Los ARN tienen un filamento, que en algunos casos se dobla constitu- yendo una molécula parcialmente doble por apareamientos intracadenas;

excepcionalmente es totalmente bifilar (en algunos virus). En los virus con ARN, esta molécula lleva la información genética, porque en ellos no existe ADN. Los principales tipos de ARN celulares son el mensajero, el de transferencia y el ribosomal.

C. SISTEMAS POLIFÁSICOS

El protoplasma es un sistema polifásico, pues sus constituyentes se distribuyen en agregados moleculares y partículas, de distintas dimensiones dentro de un medio líquido. Los sistemas polifásicos presentan una fase dispersante y una dispersa, correspondiendo esta a las partículas presentes. Tienen diferentes propiedades de acuerdo al tamaño de las partículas. Si estas son muy pequeñas (0.001 micrómetros o menos) se disuelven en un sistema homogéneo denominado solución verdadera o cristaloide. Si son muy grandes (sobre 0.1 micrómetros) precipitan en reposo, se depositan en el fondo y forman un sistema heterogéneo denominado suspensión gruesa o suspensión grosera. Si son de tamaño