biología - alejandro hans ramirez muñoz

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biología - alejandro hans ramirez muñoz
BIOLOGÍA
M.Sc. Blgo. Alejandro H. Ramirez Muñoz.
LIMA – PERU.
INDICE
I.
LA BIOLOGÍA.
- Definición.
- Historia de la biología.
- División de la biología
- Ciencias biostáticas.
- Ciencias biodinámicas.
- Ciencias bioquímicas.
- Ciencias biogénicas.
- Ciencias biotaxicas.
II.
ORIGEN DE LA VIDA.
- Teorías sobre el origen de la vida.
- Vitalismo.
- Materialismo.
- Generación espontánea.
- Abiogénesis o evolución espontánea.
III.
FORMACIÓN DE LOS PLANETAS Y LA EVOLUCIÓN DE LA VIDA.
- Historia de la formación del Sol y sus planetas.
- Evolución de la vida en el planeta Tierra.
- Evolución química en la atmósfera y el mar primitivo.
- Comprobación sobre la evolución química de la vida.
IV.
CREACIÓN
DE
EUCARIÓTICOS.
LOS
SISTEMAS
PROTOBIÓTICOS
- Creación de sistemas protobióticos.
- Modelo Coacervado.
- Modelo de las microesferas proteinoides.
- Modelo de los Jeewanu o bicapa lipídica.
- Origen y evolución de los procitos.
- Eucariontes a partir de procariontes.
- Invaginación de la membrana.
- Endosimbiosis.
- Teoría mixta.
- Aparición de organismos multicelulares
en
Y
la
evolución.
V.
NIVELES
Y JERARQUÍAS EN LA ORGANIZACIÓN QUÍMICA Y
ESTRUCTURAL DE LA VIDA.
- Nivel de organización química.
- Jerarquía de bioelementos.
- Jerarquía de moléculas.
- Jerarquía de monómero.
- Jerarquía de polímero.
- Jerarquía de compuesto supramolecular.
- Jerarquía de organelas.
- Nivel de organización biológica.
- Jerarquía génica.
- Jerarquía celular.
- Jerarquía individual.
- Jerarquía de comunidad.
- Jerarquía de ecosistemas.
- Jerarquía de bioma.
VI.
BIODIVERSIDAD.
- Clasificación de la biodiversidad.
- Sistema de cinco reino de Whittaker.
- Reino Monera.
- Reino Protista.
- Reino Fungi.
- Reino Animalia.
- Reino Plantae.
- Vira un nuevo reino.
VII.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAMATERIA.
- Átomos o bioelementos.
- Elementos organógenico.
- Oligoelementos.
- Características de los bioelementos.
- Biomoléculas.
- Biomoléculas inorgánicas.
- Agua.
- Ácido – Bases.
- Gases.
- Biomoléculas orgánicas.
VIII.
CARBOHIDRATOS.
- Tipos de carbohidratos.
- Monosacáridos.
- Mutarrotación en monosacáridos.
- Monosacáridos importantes.
- Monosacáridos derivados.
- Oligosacaridos.
- Clasificación de oligosacaridos.
- Polisacáridos.
- Polisacáridos derivados.
IX.
PROTEÍNAS.
- Aminoácidos.
- Clasificación de los aminoácidos.
- Aminoácidos proteicos.
- Aminoácidos no proteicos.
- Estructura molecular de las proteínas.
- Estructura primaria.
- Estructura secundaria.
- Estructura terciaria.
- Estructura cuaternaria.
- Funciones de las proteínas.
X.
ENZIMAS.
- Naturaleza enzimática.
- Mecanismos de acción de las enzimas.
- Factores que afectan la actividad de las enzimas.
- Nomenclatura y clasificación de las enzimas.
XI.
LÍPIDOS.
- Clasificación de los lípidos.
- Lípidos complejos.
- Acilglicéridos.
- Hidrólisis de los acilglicéridos.
- Fosfolípidos.
- Esfingolípidos y glucolípidos.
- Ceras.
- Lípidos simples.
- Terpenos.
- Esteroides.
- Prostaglandinas.
XII.
VITAMINAS.
- Consideraciones generales.
- Propiedades generales de las vitaminas.
- Papel funcional de las vitaminas.
- Nomenclatura.
- Avitaminosis.
- Clasificación de las vitaminas.
- Vitamina A.
- Vitamina D.
- Vitamina E.
- Vitamina K.
- Vitamina C.
- Vitamina B.
- Tiamina (B1).
- Riboflavina (B2).
- Ácido Pantoténico (B3).
- Ácido Nicotínico (B5).
- Piridoxina (B6).
- Biotina (B7).
- Ácido fólico.
- Cobalamina (B12).
XIII.
ÁCIDOS NUCLEICOS.
- Estructura de los ácidos nucleicos.
- Clasificación de los ácidos nucleicos.
- Ácido desoxirribonucleico (ADN).
- Estructura del ADN.
- Ácido ribonucleico (ARN).
- Ácido ribonucleico mensajero (ARNm).
- Ácido ribonucleico de transferencia (ARNt).
- Ácido ribonucleico ribosómico (ARNr).
XIV.
LA CÉLULA.
- Consideraciones generales.
- Clasificación de las células.
- Procariotas.
- Eucariotas.
- Estructura de las eucariotas.
- Cubierta celular.
- Citoplasma.
- Membrana celular.
- Citoplasma.
- Citosol.
- Organelas celulares
- Retículo endoplasmático.
- Aparato de Golgi.
- Lisosomas.
- Peroxisomas.
- Glioxisoma.
- Vacuola.
- Mitocondria.
- Plastidios.
- Centríolos.
- Cilios y flagelos.
- Inclusiones.
- Núcleo.
- Membrana nuclear.
- Carioplasma.
- Nucleolos.
- Cromatina.
01
TEMA
BIOLOGÍA
BIOLOGÍA
1. DEFINICIÓN.
La biología es una ciencia muy antigua, comenzó hace miles de
años cuando el hombre empezó a utilizar en forma empírica los
recursos naturales aprovechando algunas especies animales y
vegetales.
El término biología deriva de las voces griegas: Bios: vida +
Logos: tratado; desde este punto de vista la Biología es una
ciencia que estudia a los organismos tanto actuales como fósiles
y se ocupa de investigar las funciones relacionadas con la vida.
La biología actual es una ciencia experimental y aplicada, muy
amplia y estudia a los seres vivos en sus distintos aspectos: La
organización molecular, estructural y fisiológica de los
organismos, de la diversidad de los seres vivos o biodiversidad
de las relaciones de los seres vivos con el medio ambiente, en
forma de sistemas ecológicos, de las formas de reproducción y
de la transmisión hereditaria, del origen y evolución de la vida en
el planeta tierra; hoy en día cada uno de éstos aspectos
constituye un área de la biología muy especializada. Sin
embargo la biología actual sigue siempre teniendo los mismos
profundos objetivos de la biología de otros tiempos, que es
llegar a comprender cuál es la naturaleza de la vida, como fue
su origen y porque mecanismo se rige.
En los momentos actuales es muy difícil predecir el futuro de
cualquier ciencia, pues dicho futuro está muy ligado al destino
de la humanidad que crea y desarrolla la ciencia, pero en el
caso de la biología, es aún más difícil la predicción, pues el
hombre, al mismo tiempo que es autor de la ciencia, es también,
por lo menos en parte, objeto de estudio en esta ciencia, y esta
situación introduce factores éticos en la investigación biológica,
que puede interferir en el desarrollo de algunas de sus
direcciones, acelerando o retardando su ritmo o su aplicación.
Por el sigilo, con que se guardan las investigaciones en el
campo científico de la biología, hace evidencia de que nos
encontramos en los comienzos de una portentosa revolución,
por lo menos tan importante, como la que ocurrió con la física
hace unos cincuenta años, cuando las investigaciones nucleares
del átomo y de las reacciones atómicas, lo que ha originado un
avance irreversible en la civilización. Nos hallamos frente a una
extraordinaria perspectiva que despierta el entusiasmo y al
mismo tiempo asusta al biólogo. Existen estudios escrupulosos
de científicos y técnicos que sirviéndose sobre todo de
complicados cerebros electrónicos, manipulan miles de datos
estadísticos, examinan las metas alcanzadas en los sectores de
la investigación científica y en el campo experimental, con el
propósito de señalar metas y modos de conseguir los objetivos
trazados, distantes pero tangibles y útiles para la humanidad; en
un futuro no muy lejano se prevé perspectivas de progreso en
los siguientes campos de la biología.
- BIOLOGÍA MOLECULAR E INGENIERIA GENETICA.- Son
nuevas disciplinas que están en su juventud y han
revolucionado la biología tradicional. Actualmente bajo la
dirección de James Watson (descubridor de la estructura de
ADN), se ha comenzado un ambicioso programa denominado
“Proyecto Genoma Humano” su propósito es descubrir todos
los secretos que la naturaleza ha escondido y codificado, en
los genes humanos (ADN humano), lo que significa un desafío
muy enorme que por sus posibles consecuencias para la
humanidad trastocará todos los conocimientos adquiridos en
la actualidad. Entre otros aspectos que abordarán estas
ciencias; se prevé la posibilidad de modificar en la célula la
composición genética, reemplazando porciones de moléculas
de ADN con genes tratados, por otro ADN mejor, ésta nueva
tecnología utilizará a los virus en la terapia de las
enfermedades genéticas (genoterapia), y consiste en
transformar los virus, parásitos de las células y de sus genes,
en vectores (jeringuillas moleculares) capaces de inyectar
genes beneficiosos en células enfermas. Esto es un paso
trascendental y señalará una nueva era en la medicina, con lo
cual se llegaría a la base misma de la enfermedad genética
para curarla directamente en sus orígenes moleculares,
determinando de esta manera la mutación controlada en los
seres vivos, creando seres vivos al placer del biólogo.
Otro de los grandes anhelos de la biología molecular, es la
búsqueda de los gerontogenes o genes asociados a la
longevidad y se espera que durante las primeras décadas del
tercer milenio; la mayoría de las especies tenga identificados
los genes que orquestan el envejecimiento celular. La
determinación e identificación de los genes que se suponen
gobiernan el envejecimiento es extremadamente importante
para comprender la razón más íntima de éste periodo de vida.
Solo así será posible saber los mecanismos que lo rigen y,
llegado el caso, poder intervenir quizá sobre ellos. En la
actualidad es bien conocido que el ADN, es la molécula que
guarda todas las instrucciones necesarias para la vida, y sufre
también una serie de cambios y modificaciones con el
transcurrir de los años. Estos cambios pueden acarrear
errores en la información que contiene y que en cada
duplicación celular se transmiten a la descendencia. La
manifestación de estos errores moleculares puede conducir a
la síntesis defectuosa de alguna proteína, ocasionando el
envejecimiento celular. Por todas estas investigaciones que se
realizan en las células, y que son llevadas a límites hasta hace
poco inconcebibles, es que los biólogos se sienten superiores
a todos los demás científicos, porque creen firmemente que
será posible materializar el más extraordinario descubrimiento
de todos los tiempos, “desvelar el secreto de la vida
descifrando el código genético, descorriendo así los
mecanismos internos que han determinado la evolución
orgánica sobre nuestro planeta tierra”, y con ello se iniciará
una nueva era, en el curso del cuál el mundo podrá ser
transformado de un modo radical.
- CRIOBIOLOGÍA.- Es la rama de la biología de las bajas
temperaturas o hibernación, estudia el comportamiento de las
células y los organismos sometidos a congelación
manteniéndolos en vida latente, por ahora se mantiene bancos
de esperma (germoplasma) y otras células reproductoras, así
como conserva embriones congelados, para ser usados en el
momento que se requieran. Estos procedimientos de la
biología significan la última esperanza para salvar a las
especies de organismos en peligro de extinción, cuando
quedan muy pocos ejemplares de una especie. En su
programa del siglo XXI, ésta rama de la biología, con la
capacidad de congelar y almacenar células reproductoras,
puede conservar el material genético por muchos años,
aumentando así el “poder genético”. Además prevé resucitar
organismos multicelulares sometidos por ahora a congelación
al no tener la tecnología necesaria para su tratamiento y
curación. Esta ciencia está relacionada con la inmortalidad o
perennidad de la vida en las células y organismos.
- BIOLOGÍA ESPACIAL.- Llamada también bioastronáutica,
rama nueva de la biología, se ocupa de estudiar los
fenómenos que ocurren a los organismos enviados al espacio
sideral, ha desarrollado algunas nuevas especialidades como
la biotelemetría o telemetría biológica, técnica de medición a
distancia de los índices biológicos, es de fundamental
importancia para la investigación del hombre y los animales en
condiciones de vuelo cósmico en astronaves o en biosatélites
portadores de cápsulas recuperables destinadas a contener
seres vivientes e instrumentos para facilitar los estudios
biológicos en el espacio sideral.
Otros aspectos de la biología en los inicios del tercer milenio
serán: Resolver los problemas que amenazan al planeta Tierra
y que son de orden ecológico, modificaciones del clima,
erosión de los suelos, contaminación del aire, envenenamiento
de las aguas, extinción de especies animales y vegetales y de
la biodiversidad en general, destrucción de la capa de ozono,
etc., problemas de superpoblación, envejecimiento humano,
salud mundial, se usarán nuevos y controvertidos
procedimientos de reproducción artificial, como la fertilización
en probeta, inseminación artificial, maternidad por subrogación
(es un método valioso cuando las hembras de una especie no
están en condiciones de reproducirse, el embrión se implanta
en vientres de especies próximas) última esperanza de iniciar
una familia; y así con una visión concreta del futuro, la biología
desembocará en la realización de urgentes programas de:
- SALUD DE LA HUMANIDAD.- El conocer profundamente la
estructura molecular de la célula significa progresar en:
Abrir una vía a la victoria sobre el cáncer y el SIDA.
Comenzar a manipular el cerebro humano por implantación de
electrodos y aplicación de sustancias químicas.
Emplear virus como vectores en la
enfermedades genéticas o genoterapia.
Retrazar y hacer más soportable la vejez.
terapia
de
las
Poder limitar racionalmente el incremento de la población
mundial.
Implantar injertos de órganos sin rechazo.
Implantar prótesis u órganos artificiales como: Huesos,
cartílagos, vasos sanguíneos, sangre artificial, corazón etc.
Sin embargo cada prótesis deberá reunir cuatro características
fundamentales: a). Ser bien tolerados por el organismo, b).
Debe presentar pequeñas dimensiones, c). Tener larga
duración y d). Presentar escaso consumo de energía. El
órgano artificial como es obvio, no será como el natural, pero
el ser humano podrá recuperar las energías y el placer de
vivir.
- BIOTECNOLOGÍA.- Rama de la biología que aplica los
procesos biológicos para la obtención de seres vivos muy
eficientes, los que se emplearan en áreas muy diversas como:
Industria alimentaria, usará nuevas cepas de organismos para
la fabricación de alimentos, a expensas de materias primas no
tradicionales, como obtener proteínas a partir del petróleo por
medio de fermentaciones microbianas.
Industria farmacéutica, usará bacterias, hongos, y células
vegetales y animales en la producción de mejores drogas y
fármacos.
Industria química y alcohólica, empleará microorganismos en
la elaboración de productos químicos y bebidas alcohólicas
mejores y en mayor escala.
La biotecnología revolucionará la agricultura, creando plantas
transgénicas (plantas transformadas genéticamente), que
estarán en condiciones de producir durante todo el año
cosechas resistentes a la sequía, heladas, que fabriquen sus
propios fertilizantes y que elaboren drogas medicinales.
En la actualidad la biotecnología tiene ingerencia en áreas de
genética, virología, microbiología, cultivo de células y en
problemas de ecología, como la recuperación del medio
ambiente.
- ECOLOGÍA.- Se intentará frenar la contaminación del medio
ambiente, siguiendo los lineamientos de la conferencia de
ecología y desarrollo de las naciones unidas o cumbre de la
Tierra realizada en Río de Janeiro en 1992.
Se reformará la ecología de las grandes superficies de la tierra
en beneficio de producción y la productividad, se controlará
eficazmente la fertilidad de los desiertos del planeta.
Se preservará la Tierra como un planeta habitable, a
minorando la eliminación de gases tóxicos y evitando el
envenenamiento de las aguas.
Se efectuará el aprovechamiento racional de los recursos
biológicos, utilizando la flora y la fauna de los océanos, para
obtener nuevas formas de alimentos.
Todas estas aspiraciones en ésta era, de presuntos
progresos, exige una programada planificación para
establecer los fines que se desea alcanzar desde el punto de
vista técnico y científico y requiere la cooperación global
internacional, si buscamos el beneficio y futuro de la
humanidad. Si esto no se realiza así y además con mucha
urgencia los planes se hallaran condenados al fracaso y las
poderosas armas Físicas, Químicas y Biológicas que posee el
hombre serán utilizadas, como hasta ahora sucede con mucha
frecuencia y seguirá degradándose la biósfera, amenazando
destruir las condiciones de habitabilidad de la diversidad
biológica en el planeta Tierra, lo cuál es sin duda alguna, la
tarea primordial de la Biología del futuro.
2. HISTORIA DE LA BIOLOGÍA.
El origen de los conocimientos biológicos, se deben buscar en
las más remota antigüedad, ésa época se confunde con las
prácticas mágicas, y se considera como el esbozo más primitivo
de la historia de la biología.
Desde aquella oscura época a la actualidad el hombre ha
estudiado en forma paciente y de un modo gradual los secretos
que encierra el mundo de los seres vivos. Al comienzo empleó
únicamente el auxilio de los sentidos, posteriormente utilizó los
lentes de aumento y el microscopio de luz, finalmente aplicó el
uso del microscopio electrónico. De esta manera, sin entrar en la
más remota antigüedad, podemos considerar que la historia de
la biología es muy rica e interesante en acontecimientos
trascendentales y ha pasado tres etapas en su historia.
Primera etapa o del conocimiento macroscópico de los seres
vivos.
Segunda etapa o del conocimiento microscópico de los
organismos.
Tercera etapa o del conocimiento de los seres vivos a nivel
molecular.
A). PRIMERA ETAPA.Los historiadores de ésta primera etapa, no han penetrado
en la remota antigüedad y han dedicado su atención a los
aportes de las culturas occidentales sobre estudios de
biología, estructura y organización de seres vivos, realizados
directamente con el ayuda de los sentidos, pudiendo
considerar que han contribuido al conocimiento biológico los
siguientes científicos:
- Hipócrates: (460 AC) Sabio griego, considerado el padre
de la medicina, formula la teoría del “crasis” que es la
mezcla de cuatro humores, que intervienen en la
composición de la materia de los seres vivos. Crea la
primera escuela de biología.
- Aristóteles:(384 - 322 AC) Sabio griego es considerado
el primer biólogo, estudia y ordena a los organismos
animales en “animales con sangre y animales sin sangre”.
- Teofrasto: (374 – 287 AC) Sabio y naturalista griego,
discípulo de Aristóteles estudia y clasifica a los vegetales
en: árboles, arbustos, semiarbustos y hierbas.
Después de la muerte de Aristóteles y durante el reinado
de Alejandro Magno se crea en Egipto la escuela de
Alejandría, que recopiló todo el saber biológico de sus
antepasados, en este periodo destacan figuras como
Erasistrato y Herofilo.
A la caída del imperio de Alejandría, por la implantación
de la hegemonía de los romanos y que dura doscientos
años, no florece ningún centro de enseñanza, sin embargo
es necesario destacar a científicos como:
- C. Plinio: (23 – 79 DC) Naturalista y científico romano; su
obra “historia natural” que fue muy leída durante los siglos
sucesivos y perpetuó con ello los aciertos y el cúmulo de
errores y supersticiones que abundan en su obra.
- G. Galeno: (129 – 201 DC) Famoso médico griego, su
mérito principal es que creó una anatomía funcional, fue
considerado una autoridad en estudio de medicina
humana, sus conocimientos perduraron por más de mil
trescientos años.
- A. Vesalius: (1537 – 1564 DC) Famoso anatomista belga,
publica su obra “Fabrica humana corporis”, que reemplaza
a la anatomía de Galeno.
- Fabricius: (1537 – 1564 DC) Descubre la estructura de
las venas y constató que no era completamente hueca y
que presentan estructuras internas, a las cuales llamó
pequeñas puertas.
- Z. y H. Janssen: (1590 – 1610 DC) Combinan dos lentes
convexos en un tubo opaco y así fabrican el primer
microscopio compuesto inicio al descubrimiento del
mundo microscópico.
B). SEGUNDA ETAPA.La segunda etapa del conocimiento biológico empieza con
la invención y el perfeccionamiento de los lentes de
aumento, que lleva como consecuencia la construcción de la
lupa posteriormente del microscopio óptico o fotónico que
maravilló a los científicos del siglo XIX, y les permitió
observar y descubrir todo un mundo nuevo de vida e
imágenes insospechadas, el mundo microscópico, poblado
por seres diminutos los microorganismos.
Concomitantemente a ello, se siguió realizando los estudios
macroscópicos.
- Robert Hooke: (1665) Publica su libro “Micrografía” en
que da a conocer la primera descripción de la célula.
- A. Van Leeuwenhoek: (1667) Observa por primera vez
los espermatozoides, bacterias y protozoarios, así como
los glóbulos rojos.
- J.B. Lamark: (1809) Establece la importancia de las
células en los organismos vivientes.
- R. Brown: (1828) Descubre el movimiento intracelular de
las micelas, conocido como “movimiento browniano”;
descubre los núcleos de las células vegetales.
- M. Schleiden – T. Schwann: (1839) Desarrolla la teoría
celular, por la que todos los organismos están formados
por células.
- R. Virchow: (1858) Establece que todas las células
provienen de otras células preexistentes. “Omnis cellula e
cellula”.
- W. Waldeyer: (1863) Inicia el empleo de la hematoxilina
para teñir células y acuña el nombre de “cromosoma”.
- W. Flemming: (1882) Describe la división de las células
animales llamando la “mitosis”. Acuña el término
“cromatina” con el que se describe el material del núcleo
interfásico.
- E. Strasburger: (1882) Describe la división celular en
vegetales y la denomina “cariocinesis”. Emplea por
primera vez los términos citoplasma y nucleoplasma.
- Metchnikoff: (1883) Observa el fenómeno de fagocitosis
en los leucocitos y acuña este término.
- C. Benda: (1898) Descubre a las mitocondrias de los
espermatozoide y otras células y acuña ese nombre.
- C. Golgi: (1898) Descubre el aparato reticular interno de
la célula y que hoy lleva su nombre.
- F. Meves: (1904) Demuestra la presencia de mitocondrias
en células vegetales.
- R. Harrison: (1907) Inventa el método de cultivo de
tejidos animales.
- T. Morgan: (1915) Publica su libro “Mecanismos de la
herencia mendeliana” y correlaciona estudios genéticos
con estudios citológicos en Drosophila.
- C. Bridges: (1915) Descubre las deficiencias, las
duplicaciones y las translocaciones cromosómicas.
- R. Feulgen y H. Rossenbeck: (1924) Describen un
nuevo método para detectar la presencia del ácido
desoxirribonucleico (ADN), en las células.
- C. Stern: (1931) Presentan pruebas citológicas del
entrecruzamiento
“crossing
over”en
Drosophila
melanogaster.
C). TERCERA ETAPA.El éxito en la investigación de los seres vivos empleando el
microscopio fotónico o de luz, se ha visto opacado con el
espectacular invento técnico del microscopio electrónico,
ideado por M. Knol y E. Ruzka, en 1932. Este instrumento
permite superar la barrera de la visibilidad microscópica, con
él podemos admirar estructuras completamente ignoradas.
El microscopio electrónico franqueó una etapa decisiva en el
conocimiento de los componentes estructurales de los seres
vivos, y paso a paso comenzó a captar la ultraestructuras.
Por tanto, en biología nace una nueva rama de estudio, la
biología molecular, no obstante el adelanto que ha
significado el microscopio electrónico, paralelamente se
debe llevar a efecto los estudios macroscópicos y
microscópicos habituales.
3. DIVISIÓN DE LA BIOLOGÍA.
La biología, es una reflexión de la historia pasada y presente de
la vida sobre la Tierra; es una ciencia muy amplia, por ello se le
ha dividido en ramas, de acuerdo a los progresos científicos
alcanzados, ello ha traído la aparición de una serie de
especialidades, que han ido predominando en determinadas
áreas del conocimiento humano, así: De acuerdo al enfoque
morfológico y funcional con que se estudia al ser vivo, la biología
se ha dividido de la siguiente manera:
A). CIENCIAS BIOSTATICAS.
Estudia la forma y estructura de los seres vivos, sin tener en
cuenta su actividad y comprende:
- MORFOLOGÍA: Deriva del griego morphee: forma.
Ciencia que estudia y describe la forma, estructura y
características somáticas de los organismos de los
diferentes reinos de los seres vivos.
- ANATOMIA: Procede del griego anatomee: disección,
cortar. Ciencia que estudia la estructura morfológica de los
organismos y la relación existente entre las partes que
conforman su cuerpo. Se basa principalmente en la
disección de donde proviene su nombre.
- HISTOLOGIA: Del griego histo: tejido. Ciencia que estudia
la estructura microscópica de los tejidos que constituyen
los órganos de los seres vivos multicelulares.
- CITOLOGIA: Deriva del griego kytos: hueco. Ciencia que
estudia el origen, estructura y función de las células.
B). CIENCIAS BIODINÁMICAS.
Ciencia que estudia la naturaleza y los determinantes de los
fenómenos vitales, así como la actividad y conducta de los
seres vivos. Comprende a las especialidades de:
- BIOFÍSICA: Estudia las leyes físicas que rigen los
procesos vitales en los organismos vivos.
- FISIOLOGÍA: Procede del griego Phycis: naturaleza.
Ciencia que estudia los fenómenos relacionados con las
funciones de los órganos de los seres vivos y trata de
establecer las leyes que rigen las funciones biológicas.
C). CIENCIAS BIOQUÍMICAS.
Estudia la composición química y los cambios que ocurren
en los seres vivos. Se ha dividido en:
- ESTEQUIOLOGIA: Del griego stoikeion: elemento.
Ciencia que estudia los átomos o elementos biogenésicos
de que están constituidos los seres vivos.
- BIODINAMOQUIMICA: Estudia la naturaleza de las
transformaciones químicas que ocurren en el interior de
los seres vivos y es lo que determina su conducta.
D). CIENCIAS BIOGÉNICAS.
Ciencia que estudia el origen de la vida y de la diversidad
biológica, así como su evolución en el tiempo y en el
espacio.
- FILOGENIA: Deriva de las palabras griega pilón: raza +
gennan: producir. Ciencia que trata de establecer el
origen, la historia de la evolución y los cambios que
pueden haber sufrido los seres vivos desde la aparición en
el planeta Tierra y su transformación en especies
biológicas actuales y de las especies desaparecidas.
- ONTOGENIA: Llamada también embriología, derivada de
las palabras griegas, ontos: ser + gennan: producir.
Ciencia que estudia los procesos dinámicos desde la
formación de la célula huevo o cigote hasta constituir el
organismo completo o de formación definitiva y capaz de
llevar una vida libre.
- GENETICA: Procede del griego genesis: origen. Ciencia
que estudia los fenómenos de la herencia y la variación de
los individuos, de sus descendientes y de sus
ascendientes en poblaciones vegetales (genotecnia
vegetal).
E). CIENCIAS BIOTAXICAS.
Estudia el ordenamiento y clasificación de los organismos
vivos de acuerdo a la selección de estructuras zoológicas,
botánicas,
citológicas,
fisiológicas,
paleontológicas,
geográficas y filogenéticas para el establecimiento de
grupos taxonómicos característicos, así tenemos:
- TAXONOMIA: Llamada también sistemática, deriva de las
voces griegas taxis: orden, arreglo + nomos: ley. Ciencia
que trata de la distribución y clasificación de los
organismos de acuerdo a sus analogías, semejanzas u
origen, reuniéndolos en grupos a los cuales distingue y
describe cuidadosamente.
02
TEMA
ORIGEN DE LA
VIDA
ORIGEN DE LA VIDA
1. TEORIAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA.
El problema sobre el origen de la vida, ha fascinado e interesado
a la humanidad desde sus orígenes, y siempre ha sido uno de
los temas más discutidos y controvertidos y se ha previsto la
posibilidad de que la vida sea un fenómeno universal.
Sabemos que la vida, no siempre ha existido en la Tierra, los
científicos se han preguntado siempre: ¿Cómo se originó?. Son
dos las teorías planteadas para contestar la pregunta y explicar
el origen de la vida en el planeta: El Vitalismo y el Materialismo.
1.1.
VITALISMO.
Es la teoría filosófica más antigua, considera que el origen
de la vida sólo podría explicarse como resultado de la
creación divina, y afirma que la vida no puede haberse
originado bajo la forma de reacciones químicas y físicas o
ambas, sino más bien que el ser vivo, además de su
materia, posee una fuerza vital intrínseca o espíritu, y que
existe una barrera insalvable y diferente entre la materia
viva y no viva.
1.2.
MATERIALISMO.
Es la teoría científica, considera que la vida puede
explicarse mediante los principios de la casualidad,
porque se produce como consecuencia de las leyes
físicas y químicas, independiente de los resultados
favorables o desfavorables que ocasionen al ser vivo; los
materialistas sugieren que los procesos vitales pueden
examinarse y verificarse con el método científico.
Para atender como se originó un ser vivo a partir de lo que
no tiene vida, se han planteado dos hipótesis: a).
Generación espontánea y b). Abiogénesis o evolución
química.
A). GENERACIÓN ESPONTÁNEA.
Es una concepción también muy antigua, desarrollada
desde antes de Aristóteles, defiende que la materia
viva se ha originado por combinaciones especiales,
que se efectuaron en la materia inorgánica, mediante
fuerzas físicas y químicas que obraron sobre esa
materia produciendo la aparición súbita de seres
vivos. Esta hipótesis dominó el pensamiento científico
hasta el siglo XVII, y fue apoyado por algunos de los
más destacados hombres de ciencia de la época.
Quienes sostenían este punto de vista, citaban
ejemplos y daban recetas para producir materia viva a
partir de materia inorgánica, como almacenar camisas
sudadas y trigo en un lugar oscuro para producir
ratones; las cerdas de la cola de un caballo producían
gusanos cuando se colocaban en agua, y la carne
descompuesta originaba cresas (larvas de mosca). Lo
más extraño de estas recetas es que realmente
parecían eficaces.
En 1668 Francisco Redi, médico italiano efectuó una
prueba sencilla pero clásica, que estremeció los
conocimientos de la hipótesis de la generación
espontánea. Cuando otros se habían contentado con
observar la naturaleza y sugerir explicaciones
imaginarias de varios fenómenos, Redi decidió no solo
observar los fenómenos naturales, sino verificar ideas
y explicar algunos de los elementos de la naturaleza,
para que pudiera analizarse los fenómenos; en otras
palabras, efectuó un experimento.
Redi colocó carne descompuesta en tres frascos: al
primero lo cubrió con gasa; al segundo con un
pergamino y al tercero lo dejó descubierto. La carne
descompuesta atrajo a las moscas en los frascos
cubiertos con gasa y pergamino, pero sólo pudieron
posarse sobre la carne en el frasco descubierto; en
éste se desarrollaron cresas, pero no en los otros dos.
La carne descompuesta no da origen por sí misma a
las cresas, concluyó. Era necesario que las moscas se
posaran sobre la carne y depositaran sus huevecillos,
los que subsecuentemente se incubaban y originaban
las cresas.
Esta simple refutación de la generación espontánea
de la vida a partir de sustancias como la carne podría,
dominó solo por breve tiempo.
En 1675, Anthon Van Leewenhoek observó seres
vivos microscópicos en el agua de lluvia. El caldo
también producía toda clase de seres vivos, si se
dejaba por algún tiempo. Los ingeniosos defensores
de la generación espontánea arguyeron que aunque
no se podía esperar obtener gusanos, moscas y
ratones a partir de materia inanimada, se podían
obtener microorganismos de un caldo no vivo, del
agua de la lluvia, de las infusiones de heno y de otras
sustancias similares.
El primer ataque contra la hipótesis de la generación
espontánea a nivel microscopio, provino en 1767, del
científico italiano Lázaro Spallanzani, que descubrió
que si hervía el caldo de carne en un matraz y luego
sellaba el cuello de éste, no desarrollaba ningún
microorganismo. Sin embargo si se rompía el cuello
del matraz, en poco tiempo el caldo se convertía en un
hervidero de formas de vida microscópica. Al hervir el
caldo se evitaba el crecimiento de microbios; la
contaminación de él con el caldo no hervido u otra
sustancia, al parecer proporcionaba la fuente de
nuevos organismos. Así, la vida no surgía
espontáneamente en el caldo de carne, sino provenía
de una fuente exterior. Sin embargo, los partidarios de
la hipótesis de la generación espontánea tenían
demasiada imaginación e ingenio. Argumentaron no
sólo que el calor destruía la vida del caldo, sino que al
sellar el matraz se evitaba que la fuerza vital de la vida
entrara en él y la produjera.
Este problema permaneció sin resolver otro siglo, ya
que era sabido que muchos microorganismos
requerían de oxígeno, un principio denominado vital, y
era lógico que la ausencia de éste en el matraz
sellado inhibiera el desarrollo espontáneo de
microbios.
En 1862, el químico francés Louis Pasteur efectuó un
experimento simple y elegante a la vez. Pasteur
sostenía que los microbios (bacterias levadura y
protozoarios) no sólo era la causa de las
enfermedades en los seres humanos y los animales,
sino que originaban la descomposición y el cambio de
la materia, como el caldo. Colocó un poco de caldo de
carne en un matraz y lo hirvió hasta esterilizarlo;
Luego estiró el cuello del matraz y le dio la forma de
una S. No sello el cuello, y el aire podía comunicarse
libre-mente con el caldo luego de pasar por el
serpentín del cuello del matraz. El largo y concorvado
cuello del matraz atrapaba ha los microorganismos
transportados por el aire y evitaba la contaminación
del caldo. A pesar del fácil acceso del “principio vital”
al caldo, los matraces permanecieron estériles. Sin
embargo, al inclinar el matraz de modo que un poco
del caldo llegara hasta el doblez de la S, y luego
hacerlo volver al matraz, el caldo se contaminaba con
microorganismos. Obviamente se necesitaba algo
más que el caldo y aire para producir vida.
La hipótesis de la generación espontánea se recobró
de la herid mortal que le proporcionó el simple
experimento de Pasteur.
Estos experimentos sugieren la improbabilidad de que
la vida, una compleja organización, pueda surgir de
soluciones orgánicas desorganizadas en breve tiempo
ante nuestros ojos. ¿Como empezó todo?... ¿Cómo
se originó la vida al principio?… Quizás “esporas”
provenientes del espacio sideral llegaron a este
planeta, florecieron y evolucionaron hasta convertirse
en seres vivos que ahora reconocemos como
animales y plantas.
La esporulación del espacio sideral nos convence de
que ésta es una posibilidad sumamente improbable; la
clase de esporas que podían haber originado la vida,
tal y como la conocemos, no hubieran sobrevivido a
las radiaciones letales y a las temperaturas del
espacio sideral. El viaje del espacio sideral a la Tierra,
hubiera sido desastroso para sustancias vivas como
las que conocemos en este planeta.
Puesto que en la actualidad los seres vivos son
producidos sólo por otros semejantes y no se genera
en breve tiempo, a partir de materiales no vivos, nos
vemos casi obligados a concluir que la vida surgió en
el planeta hace mucho tiempo. Más aún,
probablemente surgió en forma espontánea de
materiales no vivos. Así los defensores de la
generación espontánea pueden no haber estado
equivocados del todo. Tienen razón en lo tocante al
lugar, pero están equivocados respecto al tiempo y al
mecanismo.
B). ABIOGENESIS O EVOLUCION ESPONTÁNEA.
La mayoría de biólogos modernos, al revisar la caída
de la hipótesis de la generación espontánea, y
renuentes a aceptar la alternativa de la creación
sobrenatural de la vida, se había quedado sin nada.
Recientemente se ha reconsiderado el problema
sobre la pregunta... ¿Cómo se originó la vida? Con la
nueva tecnología e información alcanzada gracias a
los avances y descubrimientos bioquímicos,
astrofísicos, geoquímicas y cosmológicos se ha
planteado que la vida se ha originado por abiogénesis,
como resultado de una combinación de moléculas
inanimadas, o de precursores químicos no vivos;
debido a la tendencia de los elementos químicos a
reaccionar, y que se ha dado ha llamar
“Predestinación bioquímica” y que de una manera muy
amplia puede anunciarse así: “Dado el hidrógeno en el
universo, se formaran los otros elementos químicos y
a partir de ellos se formaran moléculas”. Se han
detectado en distantes regiones del universo,
moléculas como: agua, metano, ácido cianhídrico, etc.
que tienen cierta reactividad adecuada para originar
en periodos largos de tiempo, formas muy
organizadas, con propiedades nuevas que en conjunto
llegan a justificar lo que llamamos ser vivo.
Al intentar entender cómo se originó la vida, se
presenta una enorme variedad de preguntas
científicas que nos llevan a muy diversas direcciones,
y no solo a explicar un evento tan importante ocurrido
en el pasado; sino demostrar que la explicación es
factible. Si se pudiera comprender cómo un organismo
vivo se origina a partir de lo no vivo, deberíamos
poder, producir uno, aunque sea el más simple, pero
reconocido como vivo. Esta es una posibilidad tan
remota que casi no podemos atrevernos a admitirlo,
pero sin embargo es posible.
Sin embargo los biólogos en años recientes han
comprendido que aunque la “generación espontánea
de la vida” no se produce bajo las actuales
condiciones de la Tierra, puede haber ocurrido
génesis de vida por abiogénesis, es decir, por
evolución química, hace miles de millones de años,
cuando las condiciones de la atmósfera y el mar
fueron muy diferentes de las que existen hoy en el
planeta, y esto no solo fue posible, sino muy probable
que ocurriese la génesis espontánea de la vida por
evolución química.
Para ahondar más sobre el problema de la
abiogénesis o evolución química, habría que
establecer los campos probables de la evolución a
nivel molecular, para ello hubo que esperar el
desarrollo de la biología molecular, bioquímica,
geoquímica,
astrofísica
y
cosmología.
Desgraciadamente, los científicos del siglo XIX no
persistieron en la búsqueda de un precursor de los
sistemas organizados. Por lo que recién ahora
podemos proponer el concepto de la abiogénesis, o el
origen espontáneo de la vida por evolución química, lo
que requiere la proposición de un organismo primitivo,
el protobionte o protocélula, que podría ser el
comienzo de una línea evolutiva. Tenemos así mismo
que considerar que el material del cual surgió esta
protocélula tenía la capacidad de ensamblarse por sí
mismo y que estos materiales debieron organizarse en
una secuencia evolutiva y en un camino adecuado. Lo
que ha permitido afianzar la Teoría de abiogénesis o
evolución
molecular
química
y
bioquímica,
estableciendo la necesidad de ver los problemas del
origen de la vida desde una nueva perspectiva, que
partiendo de lo primitivo (átomos), a través de una
evolución
progresiva
(moléculas,
polímeros,
macromoléculas,
etc.
nos
lleve
hasta
lo
contemporáneo.
O sea que gran parte del tipo especial de
investigación que se sigue debe tomar muy en cuenta
las fuerzas que intervienen para el ensamble de ésos
materiales durante las etapas cruciales de la
evolución.
En otras palabras, la evolución biológica está
dominada por los continuos surgimientos de nuevos
sistemas químicos, y éstos muchas veces presentan
características imposibles de producir sobre la base
de las propiedades que tienen los elementos químicos
que lo integran.
Las primeras células deben haber sido sumamente
sencillas, mucho más sencillas que las bacterias de
ahora, y se originaron como resultado de una larga
serie de eventos y/o reacciones químicas sencillas,
así que en cada etapa de su evolución se
desarrollaron a partir de etapas que los precedían con
muy pequeños cambios cada vez. Aún más, en las
primeras células había una alta probabilidad de que
ello sucediese, desde el punto de vista de las leyes
físicas y químicas. Estas aseveraciones se conocen
como “Principio de continuidad evolutiva”, y este
principio o fundamento tiene dos consecuencias muy
claras:
Cuando menos la mayoría de los componentes
moleculares de las células de hoy se deben haber
formado, desde el principio de la evolución prebiótica
y deben ser lo suficiente estables y podrán observarse
en el laboratorio dentro de un periodo razonable de
tiempo; y
Si esto es así, cuando menos algunos de estos
eventos primitivos que llevaron al origen de la vida por
evolución química, podrán ser estudiados por medio
de experimentos en los laboratorios.
03
TEMA
FORMACION DE LOS
PLANETAS Y LA EVOLUCION
DE LA VIDA
FORMACION DE LOS PLANETAS Y LA
EVOLUCION DE LA VIDA
1. HISTORIA DE LA FORMACION DEL SOL Y SUS PLANETAS.
El análisis de la composición del universo, determinada a partir
del estudio del las estrellas, los meteoritos y la corteza terrestre,
demuestran que los átomos más abundantes son exactamente
los mismos que constituyen a los seres vivos. ¿Se trata de una
coincidencia?... Los científicos piensan que no!. La semejanza
de átomos en el universo y en el cuerpo de los seres vivos,
sugiere un origen común.
Para comprender esta relativa relación en abundancia de
átomos debemos examinar la formación del universo y su
evolución.
Las observaciones efectuadas por cosmólogos, astrofísicos y
geoquímicos y las conclusiones a que se ha llegado de los
estudios en las recientes misiones científicas en las naves
espaciales, nos sugieren que el universo, nuestra galaxia la Vía
Láctea se originó de una “gran explosión o big bang” hace unos
15000 a 20000 millones de años.
Posteriormente cuando el universo se había enfriado bastante,
por colisión y al azar neutrones y protones se unieron en
núcleos atómicos. El enfriamiento continuó y después de
700000 años la temperatura disminuyó en 1000 millones de
grados Kelvin a un nivel que posibilitó a los electrones enlazarse
a los núcleos atómicos; y los únicos elementos químicos que se
formaron, en esta primera fase de la evolución del universo
fueron: hidrógeno y helio. El universo que empezó a expandirse
después del “big bang” inicial, todavía sigue en expansión, y
actualmente la radiación de fondo de esa primera explosión se
ha enfriado a una temperatura de 3 grados Kelvin.
ABUNDANCIA RELATIVA DE LOS PRINCIPALES ATOMOS
ENCONTRADOS EN EL UNIVERSO Y EN LOS SERES VIVOS
Átomos
Hidrógeno (H)
Carbono (C)
Nitrógeno (N)
Oxígeno (O)
Sodio (Na)
Magnesio (Mg)
Sílice (Si)
Fósforo (P)
Azufre (S)
Relación de átomos en porcentaje
Universo
Ser Vivo
90.790
60.30
9.080
10.50
0.0415
2.42
0.0571
25.50
0.00012
99.8 % 0.73
0.0023
0.01
0.0260
0.00091
0.00034
0.134
0.00091
0.132
98.7 %
En 1965, los científicos Robert Wilson y Arno Penzia,
descubrieron la radiación de fondo del Big Bang, lo que ha
constituido la primera prueba sólida de la Teoría de la gran
explosión o Big Bang y simultáneamente descartó la teoría
alternativa del estado estacionario de un universo sin principio ni
fin.
La teoría más en boga hoy en día sobre la formación del sistema
solar, es a partir de la “nube primordial o nebulosa solar” la
primera y más antigua materia del universo, una nube inmensa
de gas (o sea, átomos de hidrógeno, helio y neón) y polvo (o sea
cristales pequeñísimo de hielo, metano, amoniaco y carburos de
metales). Las partículas que forman la nebulosa solar gravitaron
acercándose entre sí y girando con increíble rapidez. La
nebulosa solar colapso, aplanándose hasta formar un disco
plano giratorio. Este disco no fue estable, sino que se
“desintegró” en varias porciones grandes y pequeñas.
Toda la materia se condensó formando una serie de anillos
concéntricos en la nebulosa. La materia cerca del centro del
disco giratorio aumentaba de temperatura y se hacia cada vez
mas y mas densa conforme continuaba el colapso gravitatorio.
En un momento entró en ignición y la temperatura llegó a ser tan
alta que los núcleos de los átomos colindantes hidrógeno y helio
empezaron
a
fusionarse,
produciéndose
reacciones
termonucleares. El sol se había formado. Con él resplandor
inicial del calor termonuclear del naciente Sol, la oscuridad dio
paso a la luz, esto debido haber ocurrido hace unos 5000
millones de años.
No todo el material de la nebulosa solar derivó hacia el centro
del nuevo Sol. Partícula de polvo y gas más alejadas del centro
9Sol), mediante un proceso de acercamiento iniciaron colisión y
el agrupamiento sucesivo de partículas minúsculas para integrar
partículas más grandes que constituyeron los planetesimales,
luego protoplanetas y finalmente los planetas, atrapados orbitan
alrededor del Sol; y los satélites entraron en órbita alrededor de
los planetas. Nuestro sistema solar comprende una estrella
central el Sol, y nueve planetas, de los cuales la Tierra, que
tiene a la Luna como satélite, es el tercero más cercano al Sol.
El calor radiante del reciente nacido Sol alejó los gases
residuales que rodeaban los también nacidos planetas; después
de cientos de millones de años, los planetas habían evaporado
toda su masa; y lo que restaba eran núcleos virtualmente
desnudos por el calor del Sol.
Los resultados de las investigaciones de los vuelos espaciales,
dan evidencias que los planetas localizados a lo largo de la
gradiente de temperatura, desde el centro del sistema solar
hacia fuera estarían constituidos por diferentes materiales de
acuerdo a sus respectivas distancias del Sol, así:
Los planetas próximos al Sol serían predominantemente
rocosos.
Los planetas intermedios acumularían material pétreo, rocoso y
agua congelada.
Los planetas más distantes, tendrían rocas, helio, amoniaco
congelado metano.
Las grandes cantidades de gases hidrógeno y helio en los
planetas más alejados pueden haber sido arrastrados por la
fuerza de gravedad ejercida por sus núcleos. Los planetas más
cercanos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) probablemente
fueron demasiado pequeños para atraer cantidades sustanciales
de éstos gases ligeros por los que escaparon en el espacio,
pero fueron suficientemente grandes para atraer a su atmósfera
gases pesados como Nitrógeno, metano, amoniaco. La rareza
de muchos gases en nuestra propia atmósfera y el contenido
relativamente alto de hierro y silicatos en la parte de la litosfera
pueden haber resultado de las condiciones locales prevalentes
en nuestra región del sistema solar, en las etapas primitivas de
su formación.
2. EVOLUCION DE LA VIDA EN EL PLANETA TIERRA.
Los primeros estadios de la vida sobre la Tierra se confunden
con la historia del propio planeta, de su superficie y de su
atmósfera.
Según observaciones cosmológicas, astrofísicas, geoquímicas y
estudios de materiales traídos de la Luna y de los meteoritos, la
Tierra se solidificó en el eón Hadeano, los primeros mil millones
de años. En esta primera etapa de la formación de la Tierra
ocurrieron calentamientos que pudieron alcanzar temperaturas
de mil a tres mil grados centígrados y el planeta fue
bombardeado por otros objetos del sistema solar y sufrió una
serie de cataclismo en su superficie que no ha sobrevivido
ninguna muestra intacta de roca, de esta primera etapa de la
formación de la Tierra. Parece como si los griegos hubieran
tenido razón: La Tierra nació del caos.
En la formación de la Tierra se produjeron ingentes cantidades
de calor, y al igual que hoy, el calor se originó de la
desintegración en su interior de elementos radiactivos, tales
como Uranio, Torio y Plutonio.
El calentamiento fue un factor decisivo en la determinación de la
estructura de la Tierra ya que condujo a la diferenciación de su
sustancia rocosa en capas concéntricas. Las rocas se fundieron
conforme subía la temperatura interior. Lo elementos más
pesados, como el hierro y el níquel se hundieron hacia el interior
formando un núcleo líquido. Los más ligeros como el aluminio, el
silicio, el oxígeno y el magnesio, emergieron hasta la parte
superior y reaccionaron entre sí, formando los minerales
silicatados y las rocas que conformaron las capas exteriores.
Pero la diferenciación no fue total. Algunos de los elementos
ligeros que ascendían hacia la superficie habían formado
enlaces químicos con otros más pesados, como el hierro y los
elementos radiactivos uranio y torio. Por esta razón se
encuentran todavía en la actualidad elementos pesados cerca
de la superficie de la Tierra. De todos modos, esa alta
temperatura bastó para producir un núcleo pesado, sobre el que
flotaron las sustancias livianas, mientras que las más vaporosas
y menos pesadas formaron la envoltura gaseosa la primitiva o
primera atmósfera.
La Tierra contaba con una primitiva atmósfera, muy parecida a
la del espacio sideral con gases, tales como metano, amoniaco,
cianógeno, nitrógeno, hidrógeno, helio y los gases actualmente
raros: argón, neón, criptón y xenón. Esta atmósfera no duró
mucho tiempo. El inicio de reacciones termonucleares en el
naciente Sol, produjo un calor radiante que originó un violento
flujo de materiales solares que barrió con la atmósfera primitiva
de los planetas vecinos, incluida la de la Tierra.
La segunda atmósfera de la Tierra, probablemente se forma
como consecuencia de los gases y fumarolas que salían de las
entrañas de la Tierra a causa del vulcanismo (o sea de las
erupciones volcánicas), que empezó debido a la fundición de las
rocas. La lava brotó a raudales y se esparció formando una fina
corteza primordial, demasiada fina para ser estable, por lo que
se fundió y solidificó repetidas veces. Sin embargo, a medida
que el planeta se enfriaba, la corteza se solidificó en forma más
estable, formando una costra rocosa rígida compuesta
básicamente de aluminosilicatos, granito y basalto, la corteza
terrestre o Litósfera (del griego lithos que significa piedra y
sphaira que significa bola o corteza terrestre).
De la descomposición exacta de la segunda atmósfera de la
Tierra, no hay una unanimidad de criterios, salvo que contenía
vapor de agua, hidrógenos, nitrógeno, dióxido de carbono,
sulfuro de hidrógeno, metano, amoniaco, algo de cianógeno,
pero carecía de oxígeno. Esta atmósfera por el exceso de
hidrógeno, es reductora.
La Hidrósfera o envoltura líquida de la Tierra probablemente se
formó poco después de terminar la formación del planeta. El
agua pudo haberse originado en el transcurso de la formación y
diferenciación de la Tierra; al romperse los enlaces químicos en
los minerales que la contenían como agua de hidratación. Los
volcanes expulsaron vapor de agua, que se condensó y volvió a
caer en forma de lluvia. La Tierra se había enfriado lo bastante
como para dar lugar al endurecimiento de las rocas (la
Litósfera), pero su temperatura era muy superior a la ebullición
del agua. Por consiguiente no podía encontrarse sobre la
superficie de la Tierra ni una sola gota de agua, y el vapor
acuoso que se escapaba de las ardientes grietas del suelo se
acumulaba en nubes que oscurecían por completo el cielo. Si
por efecto de la intensa condensación del vapor de agua se
transformaba de vez en cuando en lluvia, las gotas que caían al
entrar en contacto con la ardiente superficie terrestre, se
evaporaba enseguida. De allí que el cielo de nuestro planeta se
hallaba cubierto siempre por nubes de vapor de agua. Pero llegó
el momento que, tras haberse enfriado también más la Tierra,
las rocas ya no estuvieron en la capacidad de provocar la rápida
ebullición del agua, presentándose ésta en parte en forma de
vapor de agua y como agua líquida, se había formado la
Hidrósfera: agua subterránea, océanos, lagos, ríos, arroyos,
lagunas, fuentes termales y géiseres (especie de volcán acuoso
o surtidor termal intermitente).
Hacia el comienzo del eón Arqueano, algunos miles de millones
de años después de la formación del planeta, probablemente la
Tierra ya contaba con su atmósfera, masas de agua poco
profundas la Hidrósfera, los continentes con la superficie como
picada de viruelas y recubierta de cráteres, la Litósfera.
3. EVOLUCIÓN QUÍMICA EN LA ATMÓSFERA Y EL MAR
PRIMITIVO
Alrededor de los 4450 a 4600 millones de años en la Tierra la
atmósfera era reductora (esto es tenía mucho hidrógeno en
combinación con otros elementos químicos), y contenía
cantidades considerables de vapor de agua y conforme se
enfriaba el planeta, este vapor se condensó produciendo
incesante precipitación, con lluvias torrenciales y tormentas
eléctricas.
El agua de la lluvia acarreó compuestos moleculares existentes
en la atmósfera amoniaco (NH3) como hidróxido de amonio
(NH4OH); cianógeno (CN), como ácido cianhídrico (HCN),
ambas sustancias tienen gran capacidad de reacción ya que son
reducidas o reductoras, se formaron corrientes de agua que lavó
laderas de montañas, labró valles y lechos de ríos. El agua que
llegaba al mar primitivo no era pura, llevaba disueltos
innumerables compuestos químicos de la atmósfera y la
Litósfera.
En el mar primitivo tienen ya lugar las reacciones químicas de
la más diversa índole (es la evolución molecular química). Pero
desde luego, se trata siempre de reacciones inorgánicas, aún se
puede hablar de vida. Por el contrario: por el contenido,, aunque
pequeño, de ácido cianhídrico (HCN), el mar primitivo es
extremadamente venenoso, todavía es biófobo.
Hace 3800 millones de años no había ozono (O 3), pero sí
metano (CH4) y vapor de agua (H2O) en la atmósfera. Las
moléculas de metano (CH4) y agua (H2O) absorben igualmente
la radiación ultravioleta rica en energía, con el resultado de que
una molécula de agua (H2O) se desintegra en hidrógeno (H2) y
oxígeno (O) mientras que el metano (CH4) se desintegra en
hidrógeno (H) y combinaciones más pobres de hidrógeno como
metilo (CH3), metileno o metano (CH2) y metino (CH). El
hidrógeno ligero se perdió en el espacio en su mayor parte y
quedaron los hidruros de hidrógeno y principalmente oxígeno
(O2), la atmósfera fue cada vez más pobre en hidrógeno y más
rica en oxígeno.
En la Litósfera, sobre todo el fierro (Fe) no estaba
completamente oxidado y absorbió ávidamente oxígeno. Pero
un día estuvo también saturado de oxígeno y les toco oxidarse a
los componentes atmosféricos: el amoniaco (NH3) fue oxidado a
nitrógeno molecular (N2) y a nitrato (NO3), y el sulfuro de
hidrógeno (H2S), a (SO3), así como ácido sulfúrico (H2SO4), el
metano (CH4) a anhídrido carbónico (CO2) sólo después de esto
hubo también oxígeno libre. Esto no sucedió de golpe; se
calcula que la transformación de atmósfera reducida a la forma
oxidada necesitó de 1000 a 2000 millones de años. En este
lapso tiene que haber evolucionado la vida en el planeta Tierra.
La oxidación no ocurrió tampoco de forma que cada molécula de
metano (CH4) se oxidara enseguida hasta anhídrido carbónico
(CO2); esto ocurrió y ocurre aún a través de numerosas fases
intermedias: alcoholes como el alcohol metílico (CH3OH),
aldehídos como el formaldehído o formol (HCHO), el ácido
fórmico (HCOOH) y muchos más. Y no permanecieron
exclusivamente en l atmósfera, sino que con las lluvias
incesantes llegaron al mar. Aquí estaban protegidas de
momento, de otras oxidaciones. Por otro lado se encontraron
aquí con el hidróxido de amonio (NH4OH) y ácido cianhídrico
(HCN); y como todos son muy suceptibles de reacción, se puso
en marcha una activa transformación de materias, “la evolución
molecular bioquímica”; sus productos de reacción fueron, entre
otros, aminoácidos, péptidos, proteinoides, bases nitrogenadas,
nucleósidos, porfirinas (importante catalizador, lípidos, diversos
carbohidratos y trifosfato de adenosina (ATP) importante
molécula energética.
Así, el mar primitivo que sólo contenía minerales diluidos se
convirtió poco a poco en un “excelente caldo nutritivo de
Oparin – Haldane”, con gran número de sustancias orgánicas,
que consistían un buen caldo de cultivo para los primeros seres
vivos. El ácido cianhídrico (HCN), había reaccionado entretanto
con otras sustancias y perdió así su poder tóxico. Este “caldo
nutritivo de Oparin – Haldane” con verdaderas sustancias
orgánicas, se originó sin ningún ser viviente: era de
procedencia puramente inorgánica.
Así, no queda duda que en el caldo nutritivo al principio no
había vida todavía, pero había abundancia de sustancias
inorgánicas; se encontraban presentes todas las moléculas que
encontramos hoy en día en los seres vivientes. Hace 1200
millones de años, las reacciones químicas se produjeron
abióticamente, a base de transformaciones químicas
originando moléculas orgánicas. Se puede decir que las
combinaciones orgánicas son la continuación del mundo
inorgánico bajo ciertas condiciones ambientales.
En la primitiva Tierra en estado “abiótico”, la degradación de
los compuestos orgánicos en el mar primitivo habrían ocurrido
muy lentamente, persistiendo mezclas de diversos tipos de
sustancias químicas durante largos periodos de tiempo.
Así dentro del sistema solar, la Tierra es la única especialmente
apropiada para la formación de la vida como la conocemos:
Sistemas químicos basados en el carbono, en medio del agua
salada.
La Tierra está a una distancia adecuada del Sol, ya que no
puede haber vida fuera de los márgenes de temperatura en los
cuales el agua es líquida. Los sistemas vitales no se formarán o
no sobrevivirán, si el agua se halla sólo como hielo o vapor. En
planetas alejados del Sol, como Marte, las temperaturas son
demasiado bajas para permitir la formación de masas de agua
líquida.
Además la Tierra tiene el tamaño adecuado. Si fuera más
pequeña, la fuerza de la gravedad no sería de intensidad
suficiente para retener la atmósfera, y los planetas que no tienen
atmósfera no son adecuados para que exista un ciclo de
elementos químicos en la Hidrósfera o en medio líquido. Y a la
inversa, si la Tierra fuera de mayor tamaño su atmósfera sería
tan densa que la radiación solar, que es la fuente de energía
necesaria para las reacciones químicas de la vida, sería incapaz
de penetrar hasta la superficie del planeta.
4. COMPROBACIÓN SOBRE LA EVOLUCION QUÍMICA DE LA
VIDA.
En 1953, Stanley Miller entonces estudiante de la Universidad
de Chicago, informó uno de los primeros experimentos que
impresionó a la comunidad científica sobre la síntesis abiótica de
compuestos orgánicos y su accesibilidad al análisis
experimental, realizado en respuesta a las preguntas de su
profesor el científico y premio Nobel Harol Urey:
-
¿Qué clase de moléculas pueden formarse de los genes
que constituyeron la atmósfera primitiva?
¿Qué fuentes de energía se necesitaron para su síntesis?
¿Podemos producir actualmente la misma situación en el
laboratorio?
¿Podemos en realidad producir compuestos orgánicos de la
misma complejidad de los encontrados en los organismos, o
aún la vida misma?
Stanley Miller diseño un ingenioso experimento que buscaba
reproducir las condiciones de la Tierra primitiva. En sus
experimentos, utilizó:
-
-
-
Un aparato de vidrio cerrado herméticamente y esterilizado,
por lo cual cualquier forma de vida moderna era eliminada
del sistema abiótico.
Hizo circular una fase gaseosa que contenía fuentes
reducidas de carbono, metano (CH4), amoniaco (CH3),
hidrógeno (H2) y agua (H2O).
Fuente de energía eléctrica aportada por una descarga o
disrupción entre electrodos conectados a fluido eléctrico,
temperatura ambiental entre 0 ºC y 100 ºC en la atmósfera e
Hidrósfera simuladas (vapor al hervir el agua, y agua líquida
al pasar por el refrigerante).
Al pasar los gases por una serie de electrodos de tungsteno
eran sometidos a descargas eléctricas, la circulación de los
gases se mantenía al hacer hervir la mezcla en un extremo del
aparato y condensarla en líquida en el otro. Después de la
primera semana retiró y analizó el líquido condensado. Lo que
originalmente había sido agua pura, contenía ahora numerosos
compuestos orgánicos complejos, entre ellos: úrea (H2N–CO–
H2N), ácido acético (CH2–COOH) y varios aminoácidos
simples. Los aminoácidos son las unidades de construcción de
las proteínas y los constituyentes de los organismos vivos.
Los aminoácidos sintetizados en el laboratorio bajo las
condiciones de la Tierra primitiva son los mismos aminoácidos
predominantes en las proteínas de los organismos vivos que nos
rodean. Sin embargo, los primeros informes de la síntesis de los
aminoácidos a partir de los gases como el amoniaco (NH 3), el
metano (CH4) y el hidrógeno (H2), fueron recibidos con
escepticismo. Después de todo, era un hecho establecido que
las “biomoléculas” como los aminoácidos sólo eran formados
por los organismos vivos, y los escépticos surgieron que el
aparato estaba contaminado por microorganismos. Sin embargo,
Stanley Miller demostró no sólo que su aparato estaba estéril,
sino que ningún microorganismo podía sobrevivir a la
temperatura del agua en ebullición. Además los aminoácidos
nunca se formaban cuando había oxígeno (O 2) o dióxido de
carbono (CO2) o sin una descarga eléctrica; la síntesis de
aminoácidos requería una atmósfera reductora, no una
atmósfera oxidante, y una fuente de energía.
Sin embargo, los organismos vivos contienen muchos
compuestos además de los aminoácidos y las proteínas. Por
tanto, es necesario explicarse la formación de otros compuestos
orgánicos. El material hereditario de los organismos consiste en
ácidos nucleicos. ¿Podrían estos compuestos haber sido
formados en la Tierra primitiva bajo condiciones existentes en
aquel tiempo? La respuesta es… ¡Sí!
Durante más de treinta años desde los estudios de pioneros de
Stanley Miller, muchos investigadores acumularon una gran
cantidad de evidencia experimental, en particular Leslie Orgel,
Sidney Fox y otros, para demostrar que virtualmente todos los
tipos de moléculas orgánicas de importancia biológica se
pueden sintetizar abióticamente. Entre esas moléculas hay un
surtido de proteínas, ácidos nucleicos y compuestos que
almacenan energía como el ATP. Estas moléculas podrían
haberse acumulado en los mares primitivos, y haber aumentado
en diversidad y complejidad como resultado de reacciones de
condensación y polimerización.
A pesar del acuerdo general sobre la síntesis y acumulación de
las moléculas orgánicas en la Tierra primitiva, hay poco
consenso sobre la manera en la cual estas moléculas fueron
organizadas en sistemas interactuantes.
04
TEMA
CREACIÓN DE LOS
SISTEMAS PROTOBIOTICOS Y
EUCARIOTICOS
CREACION DE LOS SISTEMAS
PROTOBIOTICOS Y EUCARIOTICOS
1. CREACIÓN DE SISTEMAS PROTOBIÓTICOS.
Actualmente no se sabe nada, respecto a como se formaron los
primeros organismos unicelulares, se depende se suposiciones
e hipótesis de modelos que no pueden ser controlados
experimentalmente por ahora. Estas hipótesis de modelos,
tratan de explicar en forma apropiada como las
transformaciones bioquímicas de las moléculas en el caldo
primitivo
originaron
macromoléculas,
que
adquirieron
propiedades adecuadas para la vida.
Se han propuestos tres hipótesis de modelos principales de
sistemas autosuficientes encerrados en una frontera
selectivamente permeable: a).- el modelo del coacervado de
Alexander Oparin, b).- el modelo de las microesferas de
proteinoides de Sidney Fox, y c).- el modelo de Jeewanu o
bicapa lipídica, propuesta por Richard Goldacre.
Tomando en cuenta las limitaciones existentes para establecer
un criterio que nos permita valorar las diferencias entre un
organismo vivo y otro no vivo, creemos pertinente señalar que a
los organismos vivientes les caracteriza cuando menos la
capacidad de “autorregularse” y de poseer organización, por lo
que se les llama organismos.
Según Sidney Fox, los aspectos que deben tomarse en cuenta
para valorar la hipótesis sobre la formación del protobionte o
forma prebiótica sobre la Tierra, son:
-
Producción y proliferación de moléculas orgánicas a partir
de compuestos más simples o sencillos.
-
-
Generación espontánea de macromoléculas: a).- proteínas,
b).- ácidos nucleicos y c).- polisacáridos.
Autoorganización de sistemas multicelulares (formas pre
celular o prebiótico): a).- propiedades de membrana, b).crecimiento y c).- división.
Origen del metabolismo.
A). MODELO DEL COACERVADO
Alexander Oparin en 1924, disgustado porque no se
progresaba en la compresión de cómo se había originado la
vida en la Tierra, señaló que la investigación científica había
llegado a un callejón sin salida al limitar los estudio de los
procesos posibles a los que existen actualmente sobre la
Tierra. Oparin resaltó las diferencias entre la atmósfera
primitiva (reducida) y la de nuestro planeta en la actualidad
(oxidada); y replantea la hipótesis de los coacervados;
sugerida por primera vez en Inglaterra, por J.B. Haldane y
Beuter.
Los coacervados son micelas coloidales hidrófilas (gotitas
con un diámetro inferior a 0.1 m). Los coloides se producen
por interacción de polímeros orgánicos en solución, y bajo
condiciones adecuadas, forman micelas de compuestos
orgánicos rodeadas de una envoltura de moléculas de agua.
Estas moléculas de agua que se hallan inmediatamente en
la superficie de la micela (gotita) están unidas por fuerzas de
atracción, pero a medida que se alejan al exterior más débil
es la unión y menos severo el orden, y finalmente la
envoltura de agua se funde con el agua “libre” circundante.
Se pueden formar muchos tipos de coacervados simples
conteniendo moléculas diferentes y que al fusionarse forman
coacervados compuestos. La formación de coacervados a
partir de coloides (micelas que significa gotitas) por sus
propiedades
fisicoquímicas
pueden
químicamente con el medio circundante.
reaccionar
B). MODELO DE LAS MICROESFERAS PROTENOIDES.
Durante mucho tiempo, la idea de que las moléculas sin vida
podían combinarse para formar una sustancia viva capaz de
reproducirse (generación espontánea) intrigó, tanto a los
científicos como a los filósofos, pero las pruebas obtenidas
de experimentos bajo control cuidadoso desecharon la idea.
Sin embargo, hace poco se ha renovado el interés en una
moderna teoría de la generación espontánea de la vida
desde el punto de vista químico.
Sidney Fox, científico del Instituto de Evolución Molecular ha
informado sobre una serie de experimentos de simulación
del origen de la vida en el caldo primitivo de Oparin –
Haldane. Anteriormente Stanley Miller había demostrado
que mezclas de sustancias simples como gases (metano,
amoniaco y agua) y simulando la atmósfera primitiva de la
Tierra, se forman moléculas complejas como aminoácidos,
unidades fundamentales en la construcción de las proteínas.
Sidney Fox, mezcla aminoácidos secos y los calentó entre
160 ºC y 210 ºC logrando formar polímeros (muy parecidos
a las moléculas de proteínas), después de añadir agua a
estos polímeros producidos térmicamente da lugar a
pequeñas esferas que Fox llamó “microesferas
proteinoides”. Las microesferas proteinoides se parecen
bacterias en su tamaño de 1 ó 2 m de diámetro, su forma,
cuando se observa bajo el microscopio electrónico, son tan
parecidos a las bacterias que no se reconocen sus
verdaderos
orígenes.
Además
estas
microesferas
proteinoides pueden tomar materiales de las soluciones que
las rodean (caldo primitivo su alimento materno), pueden
reproducirse mediante cierta clase de formación de yemas,
crecer en forma orgánica y tener una, actividad enzimática y
en otras muchas actividades son muy parecidas a las
células.
C). MODELO DE LOS JEEWANU O BICAPA LIPÍDICA.
Jeewanu es una palabra Sancrita que significa “partícula de
vida”. Los Jeewanu se obtienen experimentalmente cuando
irradiamos con luz ultravioleta mezclas acuosas de material
lipoide, molibdato, parafolmaldehído y tetracloruro de hierro
(FeCl); formándose espontáneamente corpúsculos esféricos
cubiertos de una película bimolecular de lípidos. Estos
corpúsculos de origen casual son muy inestables y tienden a
desintegrarse, no pueden durar mucho tiempo. Pero puede
aumentar esta probabilidad cuando las reacciones que se
producen en el interior de la gotita son suficientemente altas
y pueden acoplarse correctamente originando el
metabolismo, y con ello la conservación de; “sistema” (gotita
+ membrana lipoide). Los Jeewanu tienen capacidad de
intercambio selectivo con el caldo primitivo, además pueden
formar yemas.
Los tres modelos de protobiontes, proporcionan la base física,
química y un límite selectivamente permeable, y secuestran
contenido al caldo primitivo y efectúan intercambio a materia y
energía entre el protobionte y su ambiente. Cualquiera de estos
modelos satisface el requisitito de sistema abierto que ahora
caracteriza a las formas de vida, además permite la reparación y
el mantenimiento de partes y moléculas, así mismo se
reproducen e incrementan la masa como organismos vivos. Sin
embargo todos estos modelos poseen una o más limitaciones
como protobionte putativos (considerarlos hijos de las células
primitivas), y no es posible elegir al modelo, entre estas
alternativas hoy en día.
2. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS PROCITOS.
Al comenzar la vida en los mares Arqueanos, se admite que las
primeras células fueron procariontes, según lo muestran los
fósiles más antiguos que datan de 3500 millones de años, al
comienzo del período precámbrico. En aquella época la
atmósfera de la Tierra era anaeróbica contenida vapor de agua,
amoniaco, metano, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y gas
carbónico; no existía oxígeno, y esto permaneció así unos 2000
millones de años.
Los mareas Arqueanos eran muy ricos en compuestos
orgánicos como: aminoácidos, péptidos, proteínas, bases
nitrogenadas, nucleótidos, ácidos nucleicos, ácidos grasos,
lípidos, carbohidratos, porfirinas, adenosintrifosfato (ATP),
guanosintrifosfato (GTP), uridintrifosfato (UTP), que aparecieron
espontáneamente por casualidad en las reacciones químicas
abióticas.
Estas primeras células eran muy parecidas a las bacterias más
pequeñas hoy conocidas: ciertas células bacterianas diminutas
Tipo PPLO), parecidas a bolsas membranosas llenas de agua
con genes (ADN), enzimas solubles y ribosomas, pero carentes
de paredes celulares; sin embargo no sabemos que las precedió
aunque pueden haberse originado de los eobiontes (del griego,
eos que significa aurora, muy temprano + biontes que significa
vida), masas protoplasmas que podían crecer y reproducirse,
simplemente utilizando los compuestos orgánicos disponibles en
su entorno. Por lo tanto probablemente se desintegraron sin
dejar ningún rastro.
Los eobiontes sin duda, fueron antecedidos por protobiontes,
agregado miceliares: lo coacervados, microesferas de
proteinoides, o los Jeewanu, que presentan solamente algunas
características que hoy consideramos como peculiares de los
seres vivos.
Los procitos que aparecieron en el mar primitivo (caldo nutritivo
de Oparin – Holdane), no tenían la capacidad para sintetizar
compuestos orgánicos. Sin embargo necesitan alimento y
energía para crecer, desarrollarse y reproducirse; esto sugiere
que
las
primeras
células
obtuvieron
la
energía
(adenosintrifosfato, ATP) por el camino más directo:
sencillamente comiendo ATP, y otros compuestos altamente
energéticos como guanosintrifosfato (GTP) y uridintrifosfato
(UTP) y otras moléculas alimenticias del caldo primitivo. Estos
organismos eran metatróficos, es decir heterotróficos
fermentadores, o mejor dicho procitos heterotróficos y
anaeróbicos. Pero esta situación no podía durar. Conforme
crecía la población de procitos en el mar Arqueano, se iban
agotando las reservas de compuestos energéticos producidos
abióticamente y, entonces las células desarrollaron sus propios
mecanismos internos para producir nuevas alternativas de
nutrición; es esta sucesión de acontecimientos evolutivos se
conoce como “hipótesis heterotrófica en la evolución
biológica o evolución hacia atrás” y es planteada por Norman
Horowitz en 1945, explicó en forma razonada como pudo haber
surgido un organismo autótrofo a partir de esos heterótrofos
primitivos fermentadores. Horowitz postuló que un eobionte
(heterótrofo primitivo metatrófico), a través de mutaciones
genéticas sucesivas, adquirió las enzimas necesarias para
sintetizar sustancias complejas a partir de compuestos simples,
pero esas enzimas habrían sido adquiridas en el orden inverso
de la secuencia en la que se utilizan normalmente en el
metabolismo. Por ejemplo supóngase que el primer metatrófico
primitivo necesitaba un compuesto orgánico I para su
crecimiento. Esta sustancia I, y una basta variedad de otros
compuestos orgánicos, H, G, F, E, D, C, B, A, etc. Estaban
presentes en el caldo primitivo de Oparin – Holdane que
constituía el ambiente del heterótrofo. Dichos compuestos
orgánicos habían sido sintetizados previamente por la acción de
factores abióticos del ambiente. El heterótrofo habría sido capaz
de sobrevivir mientras durara el compuesto I en su medio. Sin
embargo, si ocurriera una mutación que formara una nueva
enzima que permitiera utilizar la sustancia H para sintetizar el
compuesto orgánico I, el procito mutante tendría mayores
probabilidades de sobrevivir que el heterótrofo original
(metatrófico) cuando se agotara la disponibilidad del
compuesto orgánico I. Una nueva mutación que formara una
enzima que catalizara la reacción a través de la cual pudiera
obtener la sustancia H a partir del compuesto orgánico G,
tendría igualmente un alto valor adaptativo cuando se agotara la
sustancia H. las mutaciones similares, cuyos resultados fueran
nuevas enzimas que capacitaran al organismo para utilizar
sustancias cada vez más simple F, E, D, C, etc. Originaría por
evolución progresiva hasta llegar finalmente a un compuesto
orgánico simple A, se formaría un organismo mesotrófico
(organismo que puede sintetizar algunas sustancias orgánicas
escasas, que le permiten vivir en un ambiente en el que están
limitadas las sustancias nutritivas), ser vivo capaz de producir el
compuesto orgánico I, que le es indispensable, a partir de la
sustancia orgánica simple A. Cuando, a través de otra serie de
mutaciones, el organismo fuera capaz de sintetizar todas las
sustancias necesarias a partir de compuestos inorgánicas
simples, el organismo heterótrofo se habría convertido en un
ser autótrofo.
Así pues, la teoría más ampliamente aceptada sobre el origen
de la vida es que la Tierra en su fase anaeróbica (atmósfera sin
oxígeno) se vio bombardeada por radiación ultravioleta de
pequeña longitud de onda. Esta radiación mató muchas células
pero las que sobrevivieron manifestaron cambios genéticos o
mutaciones sobre las células procariontes en la Tierra
anaeróbica.
En el periodo anaeróbico de la Tierra, los procariontes
realizaban las fermentaciones como únicos medios para obtener
energía para los procesos vitales; sin embargo este
procedimiento es bastante ineficaz; se requieren considerables
cantidades de sustratos (moléculas orgánicas = alimentos),
porque los productos residuales retienen todavía gran parte del
potencial de energía química de las moléculas orgánicas
(alimentos). Por este mecanismo los organismos heterótrofos
solo podían multiplicarse y evolucionar en la Tierra
anaeróbicamente hasta donde les permitían las reservas de
nutrientes orgánicos sintetizados de manera abiótica.
La subsistencia de la vida en la Tierra dependía entonces de la
aparición de organismos autotróficos. Estos organismos se
originan como células quimiotróficas, capaces de sintetizar
sustancias orgánicas complejas a partir de compuestos
inorgánicos muy variados, como bióxido de carbono (CO2) y
utilizando la luz solar. Estos organismos usaron el sulfuro de
hidrógeno (H2S), y otros donadores de hidrógeno en vez de
agua.


CO2 + 2H2S 
bacteria clorofila
CH2O + H2O + 2S
La quimiosíntesis originada por bacterias fotosintéticas es una
reacción de oxidación y reducción, el donador de hidrógeno
en este caso es el H2S, y el aceptor de hidrógeno es el CO2. El
oxígeno del bióxido de carbono aparece en el agua. Son
ejemplos estos organismos: las sulfobacterias, ferrobacterias,
nitrobacterias, clorobacterias y las bacterias fotosintetizantes,
etc.
Para que la evolución biológica hiciera impacto, se requirió de
dar un importante paso en el uso del agua (H2O) como donador
de hidrógeno y liberación de oxígeno como producto de
desdoblamiento y esto sólo lo pudieron hacer los organismos
autótrofos fotosintetizantes. Este nuevo tipo de organismos
sería probablemente muy parecido o quizá igual a las
cianobacterias (algas verdes – azules o cianofitas), que son
procariontes y aún existen en la actualidad. No se sabe cuantas
mutaciones tuvieron que ocurrir para la aparición de las
cianobacterias a partir de las bacterias heterotróficas.
Las cianobacterias (algas verdes – azules) elaboran sus propios
compuestos a partir de moléculas inorgánicas, y fijan el carbono
inorgánico del CO2 en carbono orgánico de la estructura celular.
6CO2 + H2O



clorofila
(CH2O)6 + 6O2
En comparación con los nutrientes orgánicos limitados que
había en los mares primitivos, el bióxido de carbono (CO2) y el
agua son virtualmente inagotables, así como la energía solar.
Comenzó así el proceso de la fotosíntesis, que se produce en
virtud de la aparición de las células de ciertos pigmentos, de los
cuales el más común es la clorofila (pigmento de color verde)
que capta las radiaciones azules y rojas de la luz solar y utiliza
esta energía para activar la síntesis de compuestos orgánicos.
La interacción entre la actividad fotosintética y la atmósfera fue
de gran importancia para la evolución de las células y de las
formas de vida que hoy conocemos.
El oxígeno liberado por la ruptura de la molécula de agua en la
fotosíntesis tuvo efectos profundos sobre el futuro de la vida en
el planeta Tierra así:
-
-
Hizo posible el metabolismo aeróbico que en veinte veces
más eficiente que el metabolismo anaeróbico o
fermentación.
Se formó una barrera protectora de ozono en la
estratosfera (capas superiores de la atmósfera). La capa de
ozono se convirtió en un escudo o un filtro que protege la
superficie de la Tierra de la radiación ultravioleta.
Esto permitió que las Cianobacterias invadieran los océanos y
aumentaran con rapidez el oxígeno atmosférico.
La innovación fotosintética más notable que distingue a la
Cianobacterias de las bacterias fotosintetizantes es su
capacidad para usar el agua (H2O) como donador de hidrógeno
en lugar del sulfuro de hidrógeno (H2S) o de compuestos
orgánicos.
Se considera que las que las Cianobacterias han evolucionado
de bacterias heterotróficas anaerobias y no de un ancestro
procarionte como las bacterias fotosintetizantes. La clorofila de
las Cianobacterias es químicamente distinta de las bacterias
fotosintéticas.
El oxígeno producido en la primera etapa de la fotosíntesis es un
oxidante venenoso el superóxido (O2–). Los organismos
anaeróbicos obligados sin enzimas para deshacerse del
superoxido (O2–) mueren a causa del mismo, y las aeróbicas
solo toleran el oxígeno porque tienen enzimas para deshacerse
del superóxido.
Por lo menos se requieren dos enzimas:
-
Dismutasa del superóxido, que combina dos moléculas de
superóxido (O2–) para formar peróxido de hidrógeno y
oxígeno.
 H2O2 + O2 + energía
O2– + O2– + 2H+ 
superóxido
-
Catalasa, enzima que actúa sobre el peróxido de hidrógeno,
en sí un oxidante, para dar agua y oxígeno.
O2– + O2– + 2H+ 
 H2O2 + O2 + energía
Catalsa
En estas reacciones se libera mucha energía, que en las células
aeróbicas que contienen los pigmentos citocromos se fija y
conserva como ATP.
Así, esta teoría del origen de la vida en el planeta Tierra es la
más ampliamente aceptada, y puede resumirse como sigue:
-
Las sustancias orgánicas se formaron a partir de sustancias
inorgánicas por acción de los factores físicos en el ambiente.
-
Dichas sustancias interactuaron para formar sustancias más
complejas y, finalmente, aparecieron enzimas y sistemas
moleculares autorreproducibles (genes) ADN.
-
Estos genes libres se diversificaron y unieron para formar
los heterótrofos primitivos.
-
Las membranas de lípidos y proteínas aparecieron luego
para aislar a esos agregados prebióticos o protobióticos del
medio circundante.
-
Por último aparecieron los autótrofos a partir de los
heterótrofos primitivos.
Esta teoría tiene la virtud de ser admisible, muchos de sus
componentes han sido sometidos, de hecho, a comprobación
experimental, aunque sólo en lo que se refiere al hecho de que
ciertos fenómenos pudieron haber ocurrido así.
3. EUCARIONTES A PARTIR DE PROCARIONTES.
Perfeccionadas las células procariontes en autótrofas el
siguiente paso fue su evolución a células eucariontes.
Basándose en el registro fósil, los procariontes son la vida más
antigua; los eucariontes se originaron 2000 millones de años
después de que la Tierra fue poblada por muchas clases de vida
procariótica. No se ha encontrado ningún registro de fósiles de
células intermedias entre los procariontes y eucariontes.
Algunos científicos han explicado que la falta de intermedios
resulta de la selección natural; las formas intermedias pueden
haberse adaptado mal y, por lo tanto, se eliminaron sin dejar
rastro.
Las células eucariontes de protistas, hongos, animales y
plantas, en general son de mayor tamaño que las células
procariontes, y están mejor organizadas. Eucarionte como su
nombre lo indica procede de las voces griegas: eu significa
superior + carion que significa núcleo. Son células que tienen
núcleo verdadero encerrado en una cubierta de doble
membrana, y un citoplasma organizado en organelas u organitos
cubiertos por membranas y suspendidos en la matriz
citoplasmática.
En la década de los 70, Thomas Cavalier – Smith propone una
serie de esquemas que ilustran la manera de cómo pudo haber
sido el origen evolutivo de las células eucariontes; basado en
ello, en la actualidad se han postulados tres teorías que tratan
de explicar el origen de las células eucariontes y son: a).Invaginación del plasmalema, b).- endosimbiosis y c).- teoría
mixta.
A). INVAGINACIÓN DE LA MEMBRANA.
Es la teoría más antigua propuesta para explicar la aparición
de eucariontes. Antiguos procariontes sin pared celular y
con plasmalema o membrana celular móvil no rígida,
iniciaron un proceso que entraña la internalización de
invaginaciones del plasmalema en el citoplasma, estos
sistemas de membranas internas con el tiempo se volvieron
independientes del plasmalema y se desarrollaron en
formas separadas bajo controles independientes, como se
observan en la actualidad.
Una vez que apareció la superficie celular móvil y se hizo
posible la ingestión, los nutrientes sólidos fueron envueltos
en vesículas (fagosomas) que emigraban al interior de la
célula y sólo podían ser utilizados después de ser digeridos
por enzimas de los lisosomas para ser convertidos en
formas solubles. Quizá posteriormente las enzimas de los
lisosomas fueron envueltos
en vesículas y quedaron
retenidos como compartimientos internos que se fusionaban
con los fagosomas, formando el lisosoma secundario. El
desarrollo del retículo endoplasmático y las membranas del
aparato de Golgi constituyeron por último un sistema gracias
al cual siguió internamente la formación de lisosomas y se
dio el reciclamiento de la membrana plasmática en la
exocitosis y endocitosis.
En los procariontes el genoma o molécula de ADN está
adherida a la membrana plasmática, lo que no es un lugar
seguro en una célula con superficie móvil. El ADN podría ser
expelido por exocitosis o introducido por endocitosis y tal
vez digerido en los lisosomas. Las mutaciones condujeron a
que el genoma fuese envuelto en membranas y su posterior
desprendimiento como estructura independiente.
B). ENDOSIMBIOSIS.
Es la teoría propuesta por Margullis en 1970 supone que los
eucariontes surgieron de procariontes sin pared celular,
como resultado de combinaciones simbióticas. Esta teoría
sugiere que las mitocondrias, cloroplastos, y quizá centríolos
y flagelos, pudieron haberse originado por unión de distintos
procariontes. De este modo, las mitocondrias son
consideradas como bacterias, mientras que los cloroplastos
se consideran como cianobacterias primitivas. La teoría
estipula que cada uno de los miembros de la asociación
aportó a los demás algo que no tenían. Por ejemplo, la
mitocondrias aportaron la capacidad de utilizar el
metabolismo oxidativo, que no existían en la célula huésped
original, mientras que las bacterias espiralazas les
confirieron probablemente la capacidad de desplazarse en
el medio, convirtiéndose por último en flagelos.
Las principales pruebas a favor de la teoría endosimbiótica
son que las mitocondrias y los cloroplastos poseen algo
(aunque no todo) de su propio material genético, el cual es
distinto del que se encuentra en el núcleo de la célula. Así,
tienen su propio ADN y sus propios ribosomas, que son
parecidos a los que se encuentran en los procariontes.
C). TEORÍA MIXTA.
Es posible que las estructuras celulares membranosas que
no tienen ADN, como retículo endoplasmático y el complejo
de Golgi se hayan formado a partir de invaginaciones de la
membrana plasmática, mientras que las organelas que
tienen ADN (cloroplastos y mitocondrias), surgiera por
endosimbiosis entre células procariontes.
4. APARICIÓN DE ORGANISMOS MULTICELULARES EN LA
EVOLUCIÓN.
El hombre ha tenido la tendencia a crecer que algo especial
diferencia a los humanos de los demás organismos. Esta
creencia a encontrado expresión en las religiones, y mediante
ella ha tratado de explicar el origen de su existencia.
Nos dice la Biblia que Dios dijo: “Brote de la tierra seres
inanimados, según su especie, brote hierba verde, árboles
frutales cada uno con su fruto y semillas según su especie,
brote bestias, reptiles y ganado según su especie” Génesis
1.11 y 1.24. He aquí un acto único irrepetible de la creación, que
partiendo de la nada se originaron seres vivientes según su
especie por la obra de Dios.
Hace más o menos 100 años Darwin y Wallace, propusieron su
teoría de la evolución, basada en la selección natural del más
apto. Sostenían los autores que las diversas formas de vida no
son invariables, sino que continuamente dan origen a
organismos ligeramente diferentes, alguno de los cuales están
adaptados a para sobrevivir y multiplicarse más eficazmente. En
la época en que se formulo su teoría, los autores no conocían la
teoría Variación genética continua, pero acertadamente se
dieron cuenta de que estas nuevas características deben
persistir en la descendencia.
Así, en la historia evolutiva del planeta ocurrieron dos
fenómenos sobre salientes: 1).- el origen de las células
procarionte hace unos 3500 millones de años en el periodo
precámbrico de la era arqueozoica o de los procariontes y a
partir de ellos, se formaron células eucariontes hace unos 1500
millones de años, la era fanerozoíca o de los eucariontes. Y,
2).- solamente los eucariontes evolucionaron a la
multicelularidad, formando colonias, tejidos y sistemas de
órganos; originando finalmente a protistas, hongos, animales y
plantas hace unos 700 millones de años.
Las teorías actuales sobre la evolución, sostienen que los
organismos multicelulares pudieron originarse a partir de
ciliados o flagelos ancestrales.
A). TEORÍA DEL CILIADO ANCESTRAL.
Hadzi (1953) y Hanson (1977), son los principales
proponentes del origen multicelular a partir de ciliados
ancestrales. Su teoría sostiene, que los organismos
multicelulares surgieron de un grupo primitivo de ciliados
multicelulares o sincitiales, que más tarde se dividirían en
compartimientos o células gracias a la adquisición
membranas celulares lo que daría por resultado una
condición típicamente pluricelular.
B). TEORÍA DEL FLAGELADO ANCESTRAL.
Es la teoría clásica, fue concebida por Haekel (1874),
modificada más tarde por Metscnikoff (1887), y revisada por
Hyman (1940). La teoría sostiene que los flagelados
coloniales fueron los ancestros de los organismos
multicelulares y un apoyo a esa suposición se cita como
evidencia los siguientes hechos.
-
Los fitoflagelados, han adquirido
verdaderos óvulos y espermatozoides.
por
evolución
-
Los fitoflagelados, exhiben ciertas tendencias hacia un
tipo de organización colonial que pudo haber conducido
a una organización multicelular; de hecho ya, en Volvox,
se puede observar una diferenciación celular entre
células reproductoras o germinales, esta fase evolutiva
se denomina blastea en la teoría original de Haekel y se
considera que la blástula, celoblástula, fase
embrionaria de los multicelulares, es una recapitulación
de la evolución hacia la multicelularidad.
-
Los metazoarios
flageladas.
presentan
células
espermáticas
Cualquiera que haya sido el camino hasta la multicelularidad, la
ventaja evolutiva más importante de ésta reside en la posibilidad
de diferenciar las funciones. Un número de células elevado
permite la especialización de los individuos y de los grupos
celulares, lo que resulta imposible para las células individuales o
para las pequeñas colonias celulares.
05
EMA
NIVELES Y JERARQUÍAS EN LA
ORGANIZACIÓN QUÍMICA Y
ESTRUCTURAL DE LA VIDA
NIVELES Y JERARQUÍAS EN LA
ORGANIZACIÓN QUÍMICA Y
ESTRUCTURAL DE LA VIDA
Lo más sorprendente y característico de la vida es su
organización por lo que a los seres vivos se les ha denominado
organismos; pero dentro de cada organismo individual se
pueden identificar algunos niveles. Incluso al estudiar las
interacciones que ocurren dentro de los grupos de organismos, y
entre un grupo y otro y también con la biósfera, es posible
detectar jerarquías de complejidad cada vez mayor.
En la actualidad la biología se fundamenta en tres conceptos
inherentes de la manera viva: Organización química, estructural
y de función, a consecuencia de esta inseparable ligazón, el
mundo biológico se presenta organizado en estratos de niveles y
jerarquías; que se estudian con diversas técnicas y diferentes
instrumentos.
Efectivamente, a consecuencia de esta ligazón la biología
considera dos niveles en la organización de la materia viva: a).Nivel químico y b).- Nivel biológico y cada uno de los niveles
presenta sus jerarquías.
1. NIVEL DE ORGANIZACIÓN QUÍMICA.
Este nivel de organización es el más simple, se ha desarrollado
gracias al progreso y confluencia de varias ramas de la ciencias
como: Bioquímica, Histoquímica, Fisicoquímica, Citoquímica y al
desarrollo de una serie de técnicas, como fraccionamiento
celular, ultracentrifugación, cromatografía y microscopía
electrónica lo que ha permitido al biólogo la identificación y
localización de los diferentes compuestos químicos dentro de la
célula, puesto que las estructuras observadas en el microscopio
son el reflejo de la ordenación química de los átomos que
forman las moléculas.
Este nivel abarca las partículas básicas de toda la materia, los
átomos o elementos químicos, y sus combinaciones llamadas
moléculas o compuestos químicos en los organismos, y
principalmente la disposición espacial de las macromoléculas,
que determinan la forma en el citoplasma, y originan las
reacciones bioquímicas que dan origen a la función.
La materia viva a nivel químico está organizada de acuerdo a
jerarquías que comienzan con lo más sencillo y va a lo más
complicado. Las jerarquías se inician en los veinte átomos o
bioelementos que organizándose en distintas proporciones y
maneras forman sustancias llamadas biomoléculas.
Las biomoléculas de acuerdo a sus jerarquías se agrupan en
monómeros, polímeros, compuestos supramolculares, que al
ordenarse convenientemente originan las estructuras de la
célula (organelas, biomembranas, cromatina, etc.), otras
biomoléculas constituyen la parte acuosa o matriz del citoplasma
celular.
En cada uno de los niveles de organización, surgen propiedades
específicas para cada una de las unidades del nivel (jerarquías)
como consecuencia de las mutuas relaciones entre ellas.
A). JERARQUÍAS DE BIOELEMNTO.- Llamados elementos
biogenésicos, es cada uno de los veinte (20) átomos
esenciales e indispensables para la formación de la materia
viva, por ejemplo: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O),
Nitrógeno (N), Fósforo (P), Sodio (Na), Calcio (Ca), etc.
B). JERARAQUÍA DE MOLÉCULAS.- Asociación de átomos,
eléctricamente son neutras y forma una estructura química
estable. Las moléculas que integran la estructura de los
seres vivos, se les conoce como biomoléculas, y
desempeñan importantes funciones en la actividad del
organismo, por ejemplo: H2O, CO2, N2, etc., se consideran
como moléculas precursoras a las biomoléculas orgánicas.
C). JERARQUÍA DE MONÓMERO.- Monómero deriva del
griego mono que significa uno y mero que significa partes;
en realidad son unidades básicas o moléculas orgánicas
relativamente simples, con estructura definida, estabilizada y
específica; por ejemplo: monosacáridos (como glucosa,
fructuosa, etc.), aminoácidos (como glicina, triptófano, etc.),
bases nitrogenadas (como adenina, guanina, etc.) entre
otros.
D). JERARQUÍA DE POLÍMERO.- Polímero deriva del griego
poli que significa mucho y mero que significa partes. Son
edificios moleculares o macromoléculas, pueden estar
formados por monómeros idénticos como es el caso del
almidón, integrado por cientos de monómeros las moléculas
de glucosa; o conformado por monómeros distintos, como
los ácidos nucleicos constituidos por cuatro bases
nitrogenadas diferentes, las proteínas integradas por veinte
aminoácidos distintos.
E). JERARQUÍA DE COMPUESTO SUPRAMOLECULAR.Deriva del griego supra que significa encima, sobre. Son
complejas estructuras moleculares formadas por la unión,
ligamiento o combinación de polímeros del mismo tipo o de
polímeros distintos por ejemplo: mucopolisacáridos,
glucoproteinas, lipoproteínas, la estructura denominada
cromatina que constituye el genoma de la célula (jerarquía a
nivel genético o de los genes) y está formada por ADN unido
o combinado con proteínas; los ribosomas, son estructuras
celulares, formadas por la combinación de ARN con
proteínas; las
biomembranas, estructuras celulares
formadas por proteínas, fosfolípidos, glúcidos, etc.
F). JERARQUÍA DE ORGANELAS.- Denominadas también
organoides, se forman por la policondensación de
monómeros, polímeros (macromoléculas), y estructuras
supramoleculares, que debido a sus propiedades
fisicoquímicas se estructuran sucesiva y espontáneamente
en formas más complejas. A esta tendencia se le ha llamado
“Predestinación bioquímica”, porque tiene la propiedad de
formar estructuras muy organizadas y que en conjunto
llegan a justificar lo que llamamos partes vivas, debido a que
representan cierta autonomía, por ejemplo: mitocondria,
cloroplastos, lisosomas, centríolos, etc.
2. NIVEL DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICA.
En la actualidad se admiten en el mundo biológico seis
jerarquías de organización en la materia viva: Génico, celular,
individual, comunidad, ecosistema y bioma.
A). JERARQUÍA GÉNICA.- Llamada también jerarquía
genética, se refiere a la variabilidad intraespecífica (dentro
de la especie), y es medida por la variación de los genes de
una especie (gen o genes son porciones de ADN, se les
considera como unidades básicas de la herencia y son
trasmitidos de una generación a otra).
B). JERARQUÍA CELULAR.- Como su nombre lo dice se
centra en la célula como unidad vital de los seres vivos; es
un orden riguroso que resulta de la acción armónica de
muchas
moléculas,
polímeros,
estructuras
supramoleculares, organoides. La resultante no es la suma
ni el producto de las actividades de las biomoléculas, sino
algo nuevo; no hay ninguna molécula que pueda calificarse
de viviente. Evidentemente estamos comparando niveles de
jerarquía en su distinta complejidad. Por tanto lo vivo, es un
fenómeno al que tienden las moléculas químicas en su
evolución espontánea, obedeciendo las leyes fisicoquímicas
del universo, para dar esa organización tan misteriosa y
fugaz que es la base de la vida.
C). JERARQUÍA INDIVIDUAL.- Llamada también jerarquía de
especie, es la que corresponde a unidades biológicas de
vida independiente, que denominamos especies o
individuos. Generalmente los individuos están formados por
células que constituyen tejidos, como el tejido muscular y
nervioso; los cuales se reúnen e órganos, como el corazón,
los huesos, y, éstos se organizan en aparatos y sistemas.
En muchas ocasiones las especies o individuos son
organismos unicelulares, o colonias de células u organismos
pluricelulares.
D). JERARQUÍA DE COMUNIDAD.- Llamada también
biocenosis, es el conjunto de organismos (individuos)
pertenecientes a diferentes especies que coexisten en un
mismo hábitat o área y que interactúan a través de
relaciones tróficas (alimenticias) y áreas de convivencia. La
comunidad, como toda entidad biológica tiene forma y
estructura (número, naturaleza, relaciones mutuas de sus
componentes) y su función (cambio de poblaciones que
forman la comunidad) y su estudio se realiza en el campo,
llevando detallados registros, haciendo constantes
observaciones y recuentos de los individuos, y son después
objeto de un adecuado tratamiento matemático.
E). JERARQUÍA DE ECOSISTEMA.- Se refiere a una
biocenosis o comunidad de organismos en su ambiente
físico interactuando como una unidad ecológica, son
ejemplos de ecosistemas un lago, un bosque, etc.
Todo ecosistema presenta elementos bióticos y abióticos.
Dentro de los elementos bióticos se debe distinguir a los
organismos productores, como por ejemplo: los
organismos vegetales fotosintéticos y las bacterias
quimiosintéticas, y los organismos consumidores como
los seres herbívoros y carnívoros. Entres los elementos
abióticos cabe destacar el agua, sales, sustancias
orgánicas,
oxígeno,
anhídrido
carbónico,
presión,
temperatura, etc.
F). JERARQUÍA DE BIOMA.- Es el conjunto de asociaciones
biológicas o biocenosis que presentan entre sí relaciones
ecológicas de nivel superior y en regiones biogeográficas
definidas por formas de vida bien distintivas, por ejemplo la
región puna, rupa, etc.
Como se puede observar la división en jerarquías para formar
una entidad superior a determinado la identificación en niveles
de organización química y biológica. Sin embargo la realidad no
es tan esquemática. A veces se confunden dos o más jerarquías
para un mismo objeto de estudio, como es el caso de los
organismos unicelulares (bacterias y protozoarios, etc.) en los
que la jerarquía celular y de especie (Individuo) coinciden, en
otras oportunidades una especialidad de la biología puede
estudiar varias jerarquías, como sucede con la genética cuyo
estudio abarca desde genética molecular (en la jerarquía
génica), la citogenética (en la jerarquía celular), la genética
clásica o mendeliana (en la jerarquía individual), la genética de
poblaciones y la genética de comunidades.
06
TEMA
BIODIVERSIDAD
BIODIVERSIDAD
Es la diversidad de la vida o de los organismos en el planeta Tierra,
se refiere a la variedad y variabilidad entre los organismos, los
sistemas ecológicos en los cuales los organismos habitan y las
formas en que los sistemas interactúan entre sí y con la biósfera. La
diversidad biológica puede ser medida en sus diversos niveles y
jerarquías (genes, especies, etc.).
Las relaciones entres los distintos niveles de la diversidad biológica
son extremadamente complejos, es imposible intervenir un nivel o
jerarquía sin afectar a otros, por ejemplo en muchas especies la
supervivencia estará garantizada en el largo plazo, sólo si la
diversidad genética dentro de sus poblaciones se mantiene en un
nivel suficiente que permita a la especie adaptarse a las condiciones
que le imponen los cambios de ambiente para su supervivencia. En
cambio la diversidad de especies depende del mantenimiento de la
diversidad de ecosistemas y biomas. Es evidente, que las especies
juegan un rol crucial en la estructura de los ecosistemas en los
cuales ellas viven y sin ellas los ecosistemas son conducidos a la
inestabilidad y finalmente al cambio de su equilibrio, lo que los hace
generalmente, menos diversos biológicamente y por lo tanto con
menor capacidad para sustentar la vida humana.
La especie humana depende del clima, de los ciclos de nutrientes y
de la estabilidad de los ecosistemas y esa dependencia es muy
grande, debido a que la especie humana requiere de alimentos
obtenidos de especies que forman parte de la diversidad biológica
del planeta, las cuales son dependientes de otras especies y
ecosistemas para su estabilidad.
Por tanto, se necesita tomar acciones en todos los niveles y
jerarquías para conservar la diversidad biológica, si se pretende que
los beneficios que ella provee a la vida humana continúen
disponibles. Esto significa que la utilización de las especies debe
efectuarse a una tasa o nivel que no exceda a la capacidad de
crecimiento de la población que esta siendo intervenida.
Los recursos biológicos son esenciales para la existencia de la vida
humana y la conservación de la diversidad biológica es necesaria
para seguir usufructuando de sus beneficios, así por ejemplo una
gran variedad de medicinas modernas se originan de plantas, de
animales y microorganismos; y otros tantos de estos organismos
son importantes para la industria, debido a que proveen resinas,
taninos, colorantes, aceites, gomas, fibras, etc.; y es un potencial
futuro para nuevos productos medicinales, agrícolas, industriales
que actualmente son poco o pobremente conocidos. Los recursos
biológicos son completamente renovables, pero teniendo el cuidado
de no destruirlos antes que su valor sea conocido.
En resumen, la biodiversidad debe conservarse por las siguientes
razones:
- La humanidad ha recibido enormes beneficios económicos
directos en forma de alimentos, medicinas, productos
industriales y existe potencial para extraer más beneficios; el
algodón, maíz, trigo, etc. Han sido desarrollados a partir de
cultivos silvestres hoy mejorados; todos los animales domésticos
provienen de animales silvestres, los medicamentos tienen
como base productos químicos provenientes de plantas o de
microorganismos. Solo una pequeña cantidad han sido
investigados para conocer su posible valor como productoras de
medicamentos.
-
Los ecosistemas intervienen en la composición gaseosa de la
atmósfera, previniendo que no ocurra la mezcla de gases con
mucha rapidez, dando tiempo a que la biodiversidad se adapte
adecuadamente.
La actividad humana, en las industrias, transportes, contaminan
enormemente la atmósfera con gases de desecho ocasionando que
cada primavera en extremo su de América la capa de ozono se
reduzca afectando principalmente a la biodiversidad de la Antártica.
Los sistemas ecológicos regulan los cambios de clima, debido a que
controla el aumento de concentración de los gases atmosféricos lo
que se conoce como efecto invernadero.
1. CLASIFICACIÓN DE LA BIODIVERSIDAD.
Tradicionalmente los biólogos clasificaron la diversidad biológica
en dos reinos: Animal y vegetal. Esta división se basó en las
características más llamativas entre los seres vivientes como:
- El movimiento y desplazamiento para buscar alimentos, y
- La fijación al sustrato por medio de raíces y obtención de
alimentos directamente de la luz del Sol. (fotosintetizadotes).
Este punto de vista dicotómico no solamente es consistente con
la intuición sino que, ha persistido hasta hace pocos años y fue
aceptado por casi todos los biólogos. Estos dos reinos se
convirtieron en núcleos alrededor de los cuales los diversos
organismos fueron clasificados.
El sistema de dos reinos ha dado lugar a serias controversias y
discusiones entre los biólogos. Así, los animales y las plantas
son muy distintos en su modo de vida, línea evolutiva y
organización corporal; pero existen organismos que son difíciles
de clasificar en uno u otro reino. Los euglénidos por ejemplo
son organismos microscópicos móviles que viven en agua dulce,
como son capaces de nadar e ingerir sustancias elaboradas,
uno se inclinaría a pensar que habría que incluirlos en el reino
animal. Sin embargo, también contienen cloroplastos de color
verde y realizan la fotosíntesis al igual que las plantas. Así
mismo, las bacterias y los hongos parecen ser descendientes
de las plantas pero no presentan clorofila ni realizan fotosíntesis
y tampoco tienen características de los animales.
Las limitaciones más serias que presenta el sistema de dos
reinos son:
- La inclusión de organismos unicelulares tanto en el reino
vegetal como animal.
-
La inclusión de Schyzophytas (bacterias) y Cyanophytas
(cyanobacterias o algas verde – azules) como integrantes
del reino vegetal, tomando en cuenta sólo la presencia de
paredes celulares y la capacidad fotosintética de algunos
representantes.
-
La inclusión de los Hongos en el reino vegetal basada
solamente en la presencia de la pared celular y crecer fijos
al sustrato.
Si bien el sistema de dos reinos tuvo validez cuando los avances
de las ciencias biológicas y los registros fósiles eran escasos;
actualmente se considerar imprecisos e improcedentes.
2. SISTEMA DE CINCO REINOS DE WHITTAKER.
Desde hace mucho tiempo se pretende idear un modelo de
clasificación que abarque la totalidad de la diversidad biológica,
no sólo de los actuales organismos sino también de los fósiles.
A pesar de esa continua y tesonera labor, aún no se ha logrado
un sistema que satisfaga todas las exigencias y éstas aumentan
a medida que se conocen más los seres vivos.
Un sistema de clasificación de los organismos debe reflejar:
-
Claridad y certeza y no presentar ninguna dificultad, para
ubicar a los organismos dentro de un grupo jerárquico
natural.
-
Las relaciones filogenéticas entre los organismos colocados
en un mismo grupo jerárquico.
-
El nombre de Taxón deberá ser claro y representar las
características generales del grupo.
En 1969, Richard Whittaker en respuesta a los problemas del
sistema de dos reinos, plantea una clasificación de la
biodiversidad en un sistema de cinco reinos. Este sistema de
clasificación esta basado en niveles y jerarquías de organización
de la biodiversidad y en tres formas distintas de nutrición: 1).fotosíntesis, 2).- absorción e 3).- ingestión; se pueden observar
mejor las líneas evolutivas y las secuencias filogenéticas de los
organismos.
Con anterioridad en 1961, Roger Stanier y Cornelius Van Niel,
obtuvieron un logro importante y profundo, al separar la
diversidad de la vida, o mundo vivo en dos tipos de células: a).Procitos y b).- Eucitos.
a). Células Procariontes o Procitos.- Células primitivas con
nucleoide o núcleo rudimentario sin membrana nuclear, y la
falta
de
organelos
citoplasmáticos
(mitocondrias,
cloroplastos, lisosomas, centríolos, fibras del huso
acromático, undilopodios, flagelos, aparato de Golgi), estas
células dan origen a los organismos procariotas.
b). Células Eucariontes o Eucitos.- Células evolucionadas
con núcleo verdadero cubierto con membrana nuclear y
nucléolo; citoplasma con organelos membranosos, de estas
células proceden los organismos eucariotas.
Numerosos estudios han propuestos establecer nuevas
categorías taxonómicas superiores a los reinos, y han sugerido
llamar dominios o super reinos; que abarcarían: 1).- los virus,
2).- los procariotes y 3).- los eucariotes.
En el sistema de clasificación propuesto por Whittaker se
conservan los antiguos reinos Vegetal o Plantae y Animalia y se
aceptan tres nuevos reinos; Monera, Protista y Fungi.
A). REINO MONERA.
Comprende las bacterias y cianobacterias, pueden ser
autótrofos y heterótrofos pueden ser fotosintéticas o
quimiosintéticas pueden ser saprofitas o parásitos.
Saprofitos son aquellos organismos que descomponen
materia orgánica. Parásito organismo que vive a expensas
de otro causándole un daño.
Agrupa organismos procariotas, unicelulares solitarios o
gérmenes unicelulares en colonias, están formados por
células procariontes o procitos, que presentan las siguientes
características.
- Citoplasma no vacuolado, con numerosos ribosomas.
-
Nucleoide o tenóforo, sin envoltura nuclear (es un
equivalente del núcleo). Molécula de ADN desnudo y
circular, no presenta proteínas. Da positivamente ante la
reacción de Feulgen, que reconoce al ADN.
-
No presentan organoides membranosos (mitocondrias,
lisosomas, centríolo, etc.), ni flagelo con fórmula (9+2)
túbulos.
-
Son células heterotróficas (anaeróbicas, aeróbicas,
facultativas), pero algunos grupos son quimiotróficas y
fototróficas, su nutrición es por absorción u osmotrófica
(por ósmosis).
-
Reproducción es primariamente sexual, por fisión
binaria o por yemas; también se producen fenómenos
protosexuales (el material genético a veces es
intercambiado por mecanismos parasexuales).
-
Movilidad por flagelos simples compuestos por flagilina,
sin fórmula (9+2) túbulos, o no móviles.
Los organismos del reino Monera se han separado en dos
subreinos: a).- Schyzophytas y b).- Cyanophytas.
a). SUBREINO SCHIZOPHYTA (BACTERIAS).
Las bacterias denominadas también microbios,
representan a los organismos más antiguos del planeta,
se han encontrado fósiles de bacterias que datan de
unos tres mil quinientos millones de años, pero las
investigaciones de paleobiología los sitúa muy
anteriormente.
Constituyen un grupo extraordinariamente importante
para el equilibrio biológico, sirven para la
descomposición de los cadáveres, desdoblándolos en
sustancias simples que vuelven al suelo. Por tanto todo
bioelemento que entra a formar parte de un organismo
se mueve en un ciclo, incorporándose a él a partir del
mundo inorgánico al que regresan al final.
El subreino Schizophyta abarca organismos de nutrición
autótrofa y heterótrofa, el principal mecanismo de
incorporar alimentos es por absorción. La reproducción
es asexual por división binaria, pero en lagunas
especies ocurre cierta recombinación genética.
La clasificación de las bacterias se basa en las
características morfológicas, bioquímicas, fisiológicas, y
otras características que sirven como medio de
diferenciación e identificación, así tenemos:
- Archaeobacterias.
- Mycoplasmatae.
- Myxobacteriae.
- Eubacterias.
- Actinomycota.
- Spirochaetae.
b). SUBREINO CYANOPHYTAS (ALGAS VERDES –
AZULES).
El nombre Cyanophyta deriva del pigmento azul
(ficocianina), que a menudo enmascara a todos los
demás pigmentos. Los taxónomos modernos consideran
a estos organismos como bacterias especializadas: las
Cyanobacterias que tienen en común la estructura de
sus células, de tipo procito o procito.
El subreino Cyanophyta agrupa a organismos muy
antiguos del planeta, aparecen en el Eón Arqueano dos
mil millones de años después de las bacterias, abarca
organismos unicelulares o unicelulares en colonias
filamentosas, sin núcleo ni cloroplastos, presentan
clorofila A y ficobilinas (ficocianina), son productoras
de oxígeno molecular durante la fotosíntesis. Viven en
agua dulce, salada, contaminada, aguas termales,
hielos, suelos agrícolas y se asocian con hongos para
formas líquenes; se les considera como los pioneros en
la sucesión ecológica; se reproducen por división binaria
o forman endosporas. Son ejemplos: Nostoc, Anabaena,
Oscillatoria, Coccochloris, Anacystis, Arthrospira.
B). REINO PROTISTA.
Los protistas constituyen el grupo más simple y antiguo de
los organismos eucariotas, son unicelulares aislados o
unicelulares en colonias y presentan organismos
multicelulares, formados por células eucariontes que no
forman tejidos, y ostentan las siguientes características.
- Citoplasma con organoides membranosos como
mitocondrias,
cloroplastos,
Golgi,
retículo
endoplasmático, etc.
-
Núcleo verdadero, cubierto por envoltura nuclear, otros
organismos son multinucleados.
-
Nutrición: puede ser fagotrófica, osmiotrófica, fototrófica
o una combinación de ellos es decir mixotrófica (mixta).
-
Locomoción: son móviles mediante ondulipodios o
flagelos de fórmula (9+2) túbulos, o mediante otros
organelos como cilios y pseudópodos, membranas
ondulantes, otros protistas son inmóviles.
-
Reproducción: presenta ciclos reproductores que
incluyen divisiones asexuales por división binaria y
procesos sexuales verdaderos.
A los protistas se les ha clasificado en dos subreinos: a).Protophytas y, b).- Protozoos.
a). SUBREINO PROTOPHYTAS.
Reune a organismos protistas unicelulares, unicelulares
coloniales
y
multicelulares,
microscópicos
o
macroscópicos, su nutrición es por fotosíntesis en
cloroplastos que presentan clorofila a y clorofila b,
además de otros pigmentos coloreados diferentes de la
clorofila, las ficobilinas que les imprimen resistencia
ante los ambientes adversos.
Este subreino se ha clasificado en los siguientes filos
- Euglenophyta.
- Charophyta.
- Chrisophyta.
- Pyrrophytas
b). SUBREINO PROTOZOOS.
Son protistas unicelulares o unicelulares coloniales, de
tamaño microscópico, son organismos saprofitos o
parásitos del hombre, animales y plantas; su nutrición es
fagotrófica, osmotrófica, su locomoción lo efectúan por
pseudópodos, cilios o flagelos, algunos grupos carecen
de órganos de locomoción.
El subreino Protozoos, se ha reunido en los siguientes
Filos:
- Sporozoa.
- Mastigophora.
- Sarcodina.
- Ciliophora.
C). REINO FUNGI (HONGOS).
El reino Fungi, denominado también reino Micobionta u
Hongo, agrupa organismos eucariotas, saprofitos o
parásitos, unicelulares, unicelulares en colonia o
multicelulares que no forman verdaderos tejidos, su tamaño
es microscópico o macroscópico y presentan las siguientes
características:
- Formados por células eucariontes haploides (con un
juego de cromosomas) o dicarióticos (contiene dos
núcleos, con genotipo diferentes y que no se fusionan).
-
Presentan micelio, que constituye el cuerpo del hongo.
El micelio está formado por células eucariontes que
forman estructuras filamentosas denominadas hifas y
que pueden ser segtadas o cenocitos.
Hifas segtadas.- denominadas también hifas tabicadas
son células uninucleadas separadas por paredes
celulares.
Hifas cenocitos.- llamados también sincitios son
células multinucleadas, al hongo se le considera
unicelular.
-
Presentan pared celular de quitina, glucanos, manosa
y celulosa en muy pequeña proporción.
-
Huso mitótico difuso y de ubicación intranuclear.
-
El citoplasma acumula glucógeno y grasas como
sustancias de reserva, pero no presenta almidón.
-
Genoma, constituido por núcleo verdadero presenta
cromosomas pequeños.
-
Reproducción asexual por división binaria, gemación o
por células reproductoras especiales como las
zoosporas,
conidiosporas,
ascosporas
y
basidiosporas y reproducción sexual isogámica (con
gametos iguales) o heterogámica (con gametos
diferentes).
-
Nutrición, es osmotrófica por absorción.
El reino Fungi se le clasifica en los siguientes subreinos:
a). SUBREINO MYXOMYCOTA.
Llamados Mixomicetos; durante su ciclo de vida
presenta dos fases: 1).- como células libres nadadoras
con pseudópodos y flagelo, y 2).- y como organismo
multicelular forma el cuerpo fructífero o esporangio
presenta paredes celulares; se multiplican por división
longitudinal y formación de mixamebas, mixoflagelados
y amebocigotos. Son ejemplos: Stemonites fusca,
Ceratomyxa fructiculosa, fuligo septica, Arcyria
nutans, etc.
b). SUBREINO EUMYCOTA.
Agrupa hongos unicelulares como las levaduras,
organismos con micelios simples o avanzados;
presentan paredes celulares de quitina. Se clasifican en
los siguientes filos:
- Zygomycota.
- Ascomycota.
- Basidiomycota.
- Deuteromycota.
D). REINO ANIMALIA.
Reune organismos multicelulares formados por células
eucariontes que forman verdaderos tejidos; se inician en
cigote, que entra en un proceso embrionario para formar un
embrión hueco la blástula, que sufre un proceso de
invaginación que conduce a la formación de la gastrula, en
la que se forman las tres capas embrionarias que conducen
a la formación de los tejidos y órganos en el interior del
cuerpo, además presentan otras características como:
- Las células son heterótrofas, carecen de pared celular y
plastidios.
-
El Huso acromático o mitótico es astral, en centriolo de
fórmula (9+0) túbulos.
-
Nutrición fagotrófica e ingestión y digestión en una
cavidad interna y absorción (son osmotróficos), otros
carecen de cavidad digestiva.
-
Diferenciación celular y tejidos con evolución de
sistemas sensoriales y neuromotrices, lo que les permite
reaccionar de manera muy rápida.
-
Reproducción
predominantemente
sexual,
con
diferenciación de gametos; óvulos inmóviles y
espermatozoides móviles.
El reino Animalia se divide en tres subreinos: a).Agnatozoa, b).- Parazoa y c).- Eumetazoa.
a). SUBREINO AGNATOZOA.
Los organismos presentan nutrición por absorción e
ingestión en la superficie de las células; sin cavidad
digestiva interna ni diferenciación de tejidos
b). SUBREINO PARAZOA.
Los organismos presentan nutrición primariamente por
ingestión que se efectúa en células aisladas que
revisten conductos internos. Hay diferenciación celular
pero la diferenciación de tejidos es mínima o muy
limitada; las células tienen cierta motilidad pero el
organismo es inmóvil.
c). SUBREINO EUMETAZOA.
Animales con organización multicelular avanzada con
diferenciación en tejidos, órganos y sistemas. La
mayoría tiene una boca y una cavidad digestiva.
Este subreino comprende dos Ramas con numerosos
filos:
Rama Radiata:
- Cnidaria.
- Ctenophora.
Rama Bilateria:
- Platyhelminthes.
- Nemertina.
- Nematoda.
- Acanthocephala.
- Nematomorpha.
- Rotifera.
- Gastrotricha.
- Sipuncula.
- Molusca.
- Annelida.
- Onychophora.
- Arthropoda.
- Phoronida.
-
Briozoa.
Brachiopoda.
Entoprocta.
Chaetognatha.
Echinodermata.
Hemichordata.
Chordata.
E). REINO PLANTAE.
Son organismos multicelulares con células eucariontes con
paredes celulares de celulosa, forman verdaderos tejidos y
órganos diferenciados; algunos organismos son unicelulares
o sincitiales; desde el punto de vista de la nutrición son los
organismos más evolucionados, son autótrofos y su principal
modo de nutrición es la fotosíntesis, presentan las
siguientes características:
- Células eucariontes con paredes compuestas por
celulosa.
-
Plastidios, con clorofila a y clorofila b, y otros pigmentos
fotosintéticos secundarios: caroteno, licopeno y
ficobilinas, etc.
-
Huso acromático o mitótico anastral, es decir carecen
de centríolos en los polos.
-
Genoma, núcleo verdadero con envoltura nuclear.
-
Cromosomas en número par, difusos en la interfase y
compactos en la mitosis y meiosis.
-
Reproducción sexual heterogámica (gameto: óvulo y
grano de polen). Presentan ciclos de generaciones
haploide y diploide alternos; generación haploide se
reduce progresivamente
evolucionados del reino.
en
los
miembros
más
-
Son inmóviles, viven fijos en el sustrato. Presentan
diferenciación estructural que lleva a órganos
fotosintéticos, órganos de fijación y órganos se soporte.
-
Las plantas más evolucionadas, presentan tejidos
especializados: tejidos conductores o vasculares
(xilema y floema) y tejidos de revestimiento o cubierta
(tejidos epidérmicos y suberoso).
Lo que llamamos plantas (en comparación a los
protophytos, protistas tipo algas), son en realidad
organismos fotosintéticos pluricelulares. En éste reino se
reúnen a los tipos de algas más complejas, que en algunas
ocasiones se clasifican entre las plantas, y a plantas típicas,
cuya complejidad es una característica del reino PLANTAE.
Las diferencias entre algas complejas y las plantas de
organización inferior, no están muy bien definidas y por
tanto es difícil establecer.
Algunas de las algas tipo planta se parecen más a los
protistas complejos que a las plantas típicas, por lo que
algunos científicos las clasifican como protistas. De hecho
una célula de las algas verdes no es muy diferente de una
célula tomada del tejido esponjoso de una hoja de lechuga.
Los organismos del reino PLANTAE se han agrupado en:
Plantas inferiores y las plantas complejas.
A). Plantas inferiores:
En este grupo de plantas inferiores se agrupan en tres
divisiones de vegetales con un nivel de organización tipo
algas y comprende a: Chlorophytas, Phaeophytas y
Rhodophytas.
a).
División Chlorophyta.- Llamadas algas verdes,
contiene clorofila a y b en cloroplastos, y almidón
como material de reserva en amiloplastos, son
organismos unicelulares solitarios o unicelulares
en colonias, la pared celular esta formada por una
capa interna de celulosa y otra externa de pectina
impregnada de carbonato de calcio. Reproducción
asexual por división binaria y sexual por
diferentes modalidades (isogámica, anisogámica y
oogámica),
son
ejemplos:
Chlorococcum,
Chlamydomonas, Spirogira, Zignema, Ulotrix,
Volvox, Closterium, Scenedesmus, Pediastrum.
b).
División Phaeophyta.- Son algas marinas,
macroscópicas, la pared celular esta diferenciada
en capas: interna de constitución celulósica, la
externa formada por sustancias pécticas (por
algina, polisacárido gelatinoso), son de color café
debido al pigmento fucoxantina y clorofila a y c,
presentan diferenciación morfológica e histológica.
Los
esporofitos
presentan
tres
partes
morfológicas: Hapteno (es el rizoide o parte basal,
se adhiere al sustrato), estipite (estructura
semejante al tallo) y fronda (estructura laminar de
consistencia coriácea). Reproducción asexual por
fragmentación del tallo, sexual isogámica,
anisogámica y oogámica. Son ejemplos:
Nereocystis, Dictyota, Ectocarpus, Laminaria,
Macrocystis y Fucus.
c).
División Rhodophyta.- Llamadas algas rojas, son
organismos pluricelulares, con paredes celulares
de naturaleza celulósica, y sustancias pécticas, e
impregnadas de carbonato de calcio, se
encuentran perforadas por una serie de canales
los plasmodesmos, con pigmentos fotosintéticos:
clorofila a y d; ficobilinas, xantofilita y carotenos.
El cuerpo está diferenciado en rizoide o hapteron,
estipite y fronda; Reproducción asexual por
espora inmóviles, originadas en esporangios,
sexual es oogámica, son ejemplos: Gigartina,
Rhodymenia, Chondria, Agardhiella, Porphyra,
Gracilaria.
B). Plantas complejas:
Vegetales pluricelulares, tienen tejidos y órganos
reproductores; pasan por varias fases distintas de
desarrollo; presentan alternancia de generaciones: la
generación esporofita forma esporas, que se convierten
en plantas gametofitas, las cuales producen gametos.
Se agrupan en Divisiones: Terrestres y Traqueófitas.
a).
DIVISIÓN TERRESTRE.- Bryophyta.- Plantas terrestres no vasculares:
Hepaticas, antocerotales y musgos. Carecen
de tejido de conducción. Usualmente, con una
marcada
alternancia
de
generaciones
gametofitica y esporofitica. De estas las más
prominentes es el gametofito (generación
sexual), de la cual depende el esporofito.
b).
DIVISIÓN TRACHEOPHYTAS.
- Plantas vasculares.
- Gimnospermas.
- Angiospermas.
3. VIRA UN NUEVO REINO.
Los virus son agentes infecciosos de los organismos de todos
los reinos de los seres vivos, cuya sencillez estructural relativa
los sitúa en el umbral de la vida. Presentan ciertas atribuciones
de los organismos vivos, cuando se encuentran en el interior de
las células y de la materia inerte, en el exterior de las células,
considerándolos como sustancias insignificantes, cristalizables e
inefectivas.
Estructuralmente los virus se hallan formados por una molécula
de ácido nucleico (ADN ó ARN, nunca los dos), recubierta de
una envoltura proteica llamada cápside, la que a su vez está
formada por subunidades, los capsómeros.
Los virus no son células, pero generalmente se les considera
como sistemas vivos o vivientes, ya que poseen conjuntos
únicos de genes que especifican sus características virales. Los
virus dependen del mecanismo metabólico de una célula
anfitriona para poder sintetizar proteinas y ácidos nucleicos
nuevos del virus; ambas sustancias necesarias para la
reproducción de las partículas que originan la progenie viral, por
medio de procesos de ensamblaje molecular. Los virus se
distinguen de toda la vida celular por su modo de reproducción
de ensamblaje.
Estas características peculiares de los virus; aún no ha permitido
ubicar a los virus dentro de los cinco reinos propuestos por
Whittaker, por lo que los científicos le han asignado un nuevo
reino VIRA, o una nueva categoría taxonómica el dominio VIRA.
07
TEMA
COMPOSICIÓN QUÍMICA
DE LA MATERIA
COMPOSICIÓN QUÍMICA
DE LA MATERIA VIVA
La naturaleza química es una característica esencial tanto del
mundo viviente como del no vivo. Sin embargo el estudio de la vida
se comprende mejor con el conocimiento de sus átomos o
elementos químicos que forman las moléculas de los seres vivos. Es
la interacción de estos componentes lo que define la vida.
Todos los organismos a pesar de su aparente heterogeneidad están
constituidos por:
a). Átomos o bioelementos.- que organizados de distinta manera
y forman, las,
b). Biomoléculas.-
organizaciones
moleculares
llamadas
clásicamente “principios inmediatos” que estructuran todo el
cuerpo de los seres vivos, y origina las funciones de las células
y de las estructuras subcelulares.
Ello ha traído las siguientes conclusiones:
-
La composición química y los procesos metabólicos de los seres
vivos son notablemente similares, a pesar de su gran diversidad
de forma.
-
Los principios y leyes físicas y químicas que rigen a los seres
vivos son los mismos que rigen a los sistemas abióticos.
1. BIOLEMENTOS O ELEMENTOS BIOGENESICOS.
Las células en su composición química, están formadas por
átomos o bioelementos, que constituyen las unidades básicas
en la construcción de las biomoléculas que forman parte de la
estructura de las células.
Se ha demostrado que sólo veinte átomos o elementos químicos
son esenciales para la vida en todos los seres vivos, por ello se
les ha denominado elementos biogenésicos, y casi todos estos
átomos están localizados en los cuatro primeros periodos de la
Tabla periódica de los átomos de Mendelejeff y son: Carbono
(C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Sodio (Na),
Magnesio (Mg), Fósforo (P), Azufre (S), Cloro (Cl), Potasio (K),
Calcio (Ca), Boro (B), Silicio (Si), Vanadio (V), Manganeso (Mn),
Fierro (Fe), Cobalto (Co), Cobre (Cu), Zinc (Zn) y Molibdeno
(Mo); y todos ellos cumplen funciones importantes en la
actividad de los organismos.
El normal funcionamiento de las células exige la incorporación
de todos los bioelementos que la integran y en la cantidad
necesaria DE CADA UNO DE ELLOS.
La ley de Liebig, establece que el desarrollo de un ser viviente
sólo se continua, mientras se disponga de la cantidad mínima
indispensable de cada uno de sus bioelementos, aunque sea de
uno de los que figura en mínima proporción, la vida seria
imposible.
En la Cuadro adjunto, se aprecia que los átomos que estructura
a los seres vivos están en cantidades apreciables y poseen
funciones biológicas bien definidas. De acuerdo a los
requerimientos de las células se los ha clasificado en: elementos
organógenos y oligoelementos.
A). ELEMENTOS ORGANOGENOS.
Denominado macroelementos, son los átomos que integran
universalmente a los seres vivos; son los elementos
químicos más abundantes y representan el 99% del peso
seco de la materia via, y estan en proporción de 2 a 80%
ellos son: Carbono (C) 10%, Hidrógeno (H) 10%, Oxígeno
(O) 74% y Nitrógeno (N) 5%.
B). OLIGOELEMENTOS.
Son los átomos que se encuentran en cantidades
insignificantes, todos ellos en conjunto representan apenas
el 1% del peso seco de la materia viva, no obstante la
cantidad en que se encuentran desempeñan funciones
específicas de gran importancia, de tal manera que su
carencia o deficiencia pueden ocasionar trastornos graves
en el ser vivo. Su importancia radica en el hecho de que
forman parte de muchas enzimas o de proteínas esenciales.
De acuerdo a su concentración relativa en la materia viva,
los oligoelementos se clasifican en:
a). Microconstituyentes.- llamados microelementos, son
átomos que se encuentran en concentraciones bajas y
son requeridos en la proporción de 0.02 a 0.1%, son:
Sodio (Na), Magnesio (Mg), Fósforo (P), Azufre (S),
Cloro (Cl), Potasio (K), Calcio (Ca).
b). Ultravestigio.- Llamados también elementos trazas por
encontrarse en concentraciones bajísimas, es decir en
proporciones de 0.001%, son: Boro (B), Silicio (Si),
Vanadio (V), manganeso (Mn), Cobalto (Co), Cobre
(Cu), Zinc (Zn), Molibdeno (Mo).
Las células no contienen en igual proporción a todos los
bioelementos, una idea de la proporción relativa de los átomos
lo refiere al cuadro adjunto.
CUADRO Nº 01: BIOELEMENTOS INDISPENSABLES PARA LA VIDA.
CATEGORÍA
ÁTOMO
S
ALGUNAS FUNCIONES
Hidrógeno
H
99%
Carbono
C
Universalmente necesarios para los
Organógenos
Nitrógeno
N
compuestos orgánicos de la célula.
Oxígeno
O
Sodio
Na
Ión involucrado en el potencial de
acción.
Magnesio
Mg
Cofactor
de
muchas
enzimas
celulares.
MICROELEMENTOS
1% - OLIGOELEMENTOS
Fósforo
P
Universalmente
reacciones
de
implicado
en
transferencia
de
energía.
Azufre
S
Encontrado en las proteínas y otras
sustancias importantes.
Cloro
Cl
Uno de los principales aniones.
Potasio
K
Encontrado universalmente dentro de
la
célula:
ión
conducción
implicado
nerviosa,
en
la
contracción
muscular.
Calcio
Ca
Cofactor
de
componente
enzimas,
y
importante
regulador
membranas y del músculo.
de
las
Boro
B
Probable
cofactor
de
enzimas
vegetales.
Silicio
Si
Vanadio
V
Usado en abundancia en formas
ELEMENTOS TRAZAS
1 % - OLIGOELEMENTOS
inferiores.
Encontrado en pigmentos de formas
inferiores.
Manganeso
Mn
Cofactor de muchas enzimas.
Hierro
Fe
Cofactor de muchas enzimas.
Cobalto
Co
Componente de la vitamina B12.
Cobre
Cu
Cofactor
de
muchas
enzimas
oxidativas y usado en el transporte
de oxígeno por muchos organismos
marinos.
Zinc
Zn
Cofactor de muchas enzimas.
Molibdeno
Mo
Cofactor de algunas enzimas.
CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS.
- Abundan en la naturaleza, se encuentran en abundancia y
muy difundidos en la litosfera, Hidrósfera y atmósfera. Estos
átomos fueron seleccionados desde el comienzo de la
evolución de la vida, así de los ocho átomos que constituyen
los 98% del ser vivo, 10 son muy abundantes en el mar. Por
tanto los bioelementos fueron escogidos del medio en que
se originó la vida.
-
Peso atómico bajo. La materia viva selecciono a los
bioelementos de más bajo peso atómico y de núcleo
atómico estable, para que no sufra degradaciones
radioactivas, que lo transformaría en otra especie de
átomos.
Estos átomos de bajo peso molecular, son capaces de
agruparse en grandes cantidades para formar las
biomoléculas que integran las células.
-
Calor específico elevado. Necesitan mucha cantidad de
calor para elevar su temperatura en un grado, lo que evita a
la materia viva cambios bruscos de temperatura.
-
Calor de combustión elevada. Los bioelementos al oxidarse
movilizan gran cantidad de energía calorífica, lo que
estimula las reacciones químicas en materia viva.
-
Químicamente son muy activos. Son lo suficiente reactivos
para formar numerosos compuestos, algunos de ellos por
compartición de electrones en enlace múltiple, tienen núcleo
atómico estable y entran en combinaciones químicas
relativamente simples “ceden o ganan electrones con
facilidad, reaccionando en forma de energía”.
-
Son gaseosos y solubles en agua o dan combinaciones
gaseosas o solubles. Los elementos biogenésicos son
capaces de formar iones, y compuestos que forman
soluciones estables en agua, lo que facilita su difusión a
través de las membranas biológicas. Efectuándose de esta
manera los intercambios entre el ser vivo y el medio que lo
rodea.
-
Originan gran cantidad de compuestos. Debido a que tienen
capacidad para permutaciones y combinaciones diferentes,
originan gran diversidad de moléculas, que los hacen
indispensables para la vida.
2. BIOMOLECULAS.
La materia viva está formada predominantemente por grupos de
moléculas y no de átomos aislados o bioelementos
independientes. Es imposible comprender como funciona la vida
sin entender algo de éstas sustancias químicas. Las moléculas
que componen a los seres vivos, son de dos tipos: inorgánicas y
orgánicas.
A). BIOMOLÉCULAS INORGÁNICA.
Estas moléculas desempeñan un papel importante en el
metabolismo de los seres vivos. Estos son: agua, sales,
ácidos, bases y gases.
a). AGUA.- El agua es el compuesto inorgánico prevalerte
en los organismos vivos. La vida tal como se conoce en
el planeta Tierra, se desarrolla siempre en medio
acuoso, incluso en los seres no acuáticos el medio
interno es esencialmente hídrico. La inmensa mayoría
de las reacciones bioquímicas en los seres vivos se
efectúan en el seno del agua obedecen a las leyes físico
– químicas de las disoluciones acuosas.
La mayor parte de las células están constituidas por un
60 a 90% de agua. Disminuye en las células durmientes,
como las semillas a un 10 a 30%. Esto nos indica que
los organismos metabolitamente activos tienen más
agua que los inactivos; incluso el agua varía en los
tejidos de un mismo organismo, por ejemplo la sustancia
blanca del cerebro contiene un 68% de agua
aproximadamente, en tanto que la sustancia gris,
constituida por los cuerpos neuronales, tiene 85%.
El agua se encuentra en las células en dos formas: libre
y fija o ligada, aunque no esta clara la separación entre
ambas formas.
-
Agua libre.- Es la que está disponible para los
procesos metabólicos. Representa el 95% del total,
es la parte usada como solvente de los solutos y
como medio de dispersión coloidal del protoplasma.
-
Agua fija.- Llamada también agua ligada, es aquella
que se encuentra unida flojamente a las moléculas
de proteína por atracción bipolar, por enlaces de
hidrógeno. Representa solo el 4.5%. Esta agua
incluye aquella inmovilizada, contenida dentro de la
estructura fibrilar de las macromoléculas.
PROPIEDADES DEL AGUA:
El agua reúne una serie de propiedades y
características físicas y químicas de interés biológico
que hacen insustituible en la biósfera.
Propiedades físicas:
- Estabilidad térmica.- El agua presenta una gran
estabilidad térmica, por su calor específico elevado,
calor de vaporización elevado y calor de difusión
elevado. Esto permite que el calor liberado en
reacciones bioquímicas exotérmicas sea fácilmente
absorbido y/o eliminado con pequeña variación de
temperatura lo que contribuye a la conservación
estable de la temperatura del organismo y con
variaciones muy estrechas. También le permite
mantenerse en estado líquido entre 0 a 100 ºC. Esto
ha permitido que los organismos permanezcan con
vida en ella, así: los organismos psicrófilos, viven
en temperaturas por debajo de los 0 ºC,
organismos mesófilos, prefieren temperaturas
entre 10 a 45 ºC y los organismos termófilos que
viven entre 70 a 80 ºC o más (viven en aguas
termales y géiseres).
-
Carácter bipolar.- Por su elevada constante
dieléctrica, el agua es mejor solvente universal
conocido, y permite la ionización de sales
indispensables para el funcionamiento celular. En el
agua se disuelven más sustancias que en cualquier
otro solvente; las moléculas de agua se orientan en
torno a las partículas polares o iónicas formando
una capa o envoltura de solvatación, dándole
propiedades especiales a estas partículas,
originando el agua de cristalización.
Los electrolitos disueltos en el agua se ionizan con
facilidad, porque las moléculas de agua, en virtud de
su propia carga (como dipolo) atraen los iones del
soluto, y por lo tanto debilitan la atracción entre
ellos. La ionización y las reacciones iónicas son de
gran importancia para la vida. Debido a esta
propiedad, el agua es capaz de adherirse
electrostáticamente por grupos positivos y negativos
de las proteínas. La molécula de agua es
relativamente positiva en el lado de los hidrógenos y
negativa en lado del oxígeno.
-
Estructura asimétrica.- La molécula de agua es
morfológica y electrolíticamente asimétrica, los
átomos de hidrógeno forman con el átomo de
oxígeno un ángulo de 104.9 grados, por lo que
aunque la fórmula se represente H – O – H, no tiene
forma lineal.
La fórmula de la molécula de agua es la de un
triángulo isósceles y la distancia entre el hidrógeno y
el oxígeno de una molécula es casi de 0.099 nm,
las distancias intermolecular es de 0.177 nm, y la
distancia entre dos átomos de oxígeno es de 0.276
nm.
PROPIEDADES QUÍMICAS:
- Excelente capacidad para formar enlaces puentes
de hidrógeno.- (4 por moléculas) determina; la
capacidad de solubilización de moléculas de grupos
polares; y los mecanismos de muchas reacciones
hidrolíticas. La molécula de agua puede formar
enlaces puente de hidrógeno por atracciones
electrostáticas que son originadas por la distribución
asimétrica de las cargas de sus moléculas y sucede
en sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso. La
diferencia entre el hielo y el agua líquida estriba en
la estabilidad de los enlaces puente de hidrógeno;
así, mientras que en el helio son estables, en el
agua líquida cada enlace puente de hidrógeno tiene
solamente una duración de apenas 10–10 a 10–11 de
segundo.
-
Gran capacidad de disociación, y la rápida
emigración de los iones resultante.- (H– y OH–)
explica la importancia crítica del pH en muchos
procesos metabólicos. El agua es capaz de
incrementar la disociación de otras sustancias tales
como los electrolitos débiles, que en forma pura no
se encuentran disociados. Estos conforme se
diluyen en agua se hacen cada vez más disociados;
por ejemplo, el ácido acético que es un ácido débil,
experimenta la siguiente disociación.
CH3 – COOH + H2O

CH3 –COO– + H3O+
ACTIVIDADES FISIOLÓGICAS DEL AGUA:
Se deriva de las propiedades anteriormente señaladas.
Los hechos de mayor interés son:
- El agua constituye el medio ideal para el transporte
del material nutritivo y de desecho.
-
Las moléculas de agua participan en muchas
reacciones enzimáticas de la célula y pueden
formarse como resultado de procesos metabólicos.
-
En agua interviene en la regulación
temperatura del cuerpo de los seres vivos.
-
El agua conserva la forma de las células debido a su
tensión superficial.
-
El agua actúa como medio de dispersión para la
estructura coloidal del protoplasma.
de
la
b). ÁCIDOS Y BASES.
Aparte del papel preponderante del agua, la importancia
de otras moléculas inorgánicas como sales, ácidos y
gases aparece restringida a otros aspectos muy
específicos.
La materia viva en su medio intra y extracelulares,
presenta diversas sales y escasa cantidad de ácidos y
bases, todos ellos en estado de disociación iónica, como
aniones o cationes, los que participan o actúan como
cofactores re reacciones específicas, por ejemplo el
cloruro (Cl–) en la hidrólisis del almidón por las amilasas,
otras veces tiene función estructural y forma acumulos
sólidos y constituyen los esqueletos de los organismos
(huesos, dientes, conchas de los moluscos,
caparazones de los erizos de mar, espículas de
esponjas, etc.), por ejemplo, el hidroxiapatita
(PO4)3Ca3(OH) que condiciona la microestructura
cristalina en el tejido óseo, el carbonato cálcico (CaCO 3)
que constituye la mayoría de las conchas. Los iones
inorgánicos son los principales responsables del
mantenimiento de la presión osmótica, de la
conservación del equilibrio ácido – base o pH de los
organismos y en la generación de potenciales de
membrana. Además intervienen activamente en el
metabolismo y fenómenos fisiológicos tan variados
como la reacción muscular, la visión y la coagulación
sanguínea, etc.
PRINCIPALES ANIONES Y CATIONES DE LA MATERIA VIVA
ANIONES
Hidroxilo.
OH–
Nitrato
NO3–
Bicarbonato
HCO3–
Cloruro
Cl–
Fosfato
PO4–
–
Sulfato
SO4
CATIONES
Hidrógeno
H+
Potasio
K+
Amonio
NH4+
Sodio
Na+
Magnesio
Mg2+
2+
Calcio
Ca
c). BASES.
Para el mantenimiento de la vida y de las funciones
celulares se requiere de un intercambio interrumpido de
los gases que atraviesa con facilidad las biomembranas
durante el metabolismo celular.
Algunos gases se utilizan como sustrato (sustancia)
metabolizable, por ejemplo el nitrógeno (N2) en las
bacterias nitrificantes, el anhídrido carbónico (CO2) en
las plantas verdes; otras veces los gases son productos
de desechos del metabolismo como el mismo anhídrido
carbónico de la respiración, por último el oxígeno (O2) es
el aceptor final del hidrógeno en el metabolismo de los
organismos aeróbicos.
B). BIOMOLÉCULAS ORGANÁNICAS.
Las biomoléculas orgánicas son mucho más complejas y
variadas que las de naturaleza inorgánica. La gran cantidad
de compuestos orgánicos se debe a la situación privilegiada
del átomo de carbono en el sistema periódico de los átomos
de Mendejeff, que ocupa el segundo periodo. El carbono
tiene cuatro electrones en el último piso y, debido a su
electronegatividad media, puede enlazar con otros átomos
de carbono formando cadenas abiertas o cerradas, de
longitud variable, mediante enlaces sencillos, dobles o
triples. Además, esa electronegatividad intermedia le
permite enlazar otros muchos átomos, tanto electropositivos
(Hidrógeno H), como electronegativos (Oxígeno O, Azufre S,
Nitrógeno N).
Las principales clases de compuestos orgánicos
biológicamente importantes que contribuyen a la estructura
y función de la célula y a la regulación de las actividades
celulares son:
- Carbohidratos.
- Proteínas.
- Enzimas.
-
Lípidos.
Ácidos nucleicos.
Sin embargo cada clase hace una contribución única, de
modo que todos estos grupos deben estar presentes para
mantener el estado vivo.
08
TEMA
CARBOHIDRATOS
CARBOHIDRATOS
Los carbohidratos, glúcidos o hidratos de carbono, son biomoléculas
ternarias, relativamente simples constituidas de carbono, hidrógeno
y oxígeno, pero también pueden presentar otros átomos.
Los hidratos de carbono, químicamente son polihidroxialdehídos o
polihidroxiacetonas, o productos derivados de ellos por oxidación,
reducción, sustitución o polimerización. Muchos tienen la fórmula
(CH2O)n, que daba a entender, en su origen, que se trataba de
“hidratos de carbonos”.
H
H
H
C
O
C
OH
CH2OH
Aldosa
C
O
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
Cetosa
Estas biomoléculas son las más abundantes en la naturaleza de
origen sobre todo vegetal, los glúcidos proceden de la actividad
fotosintética de los vegetales. Son estas biomoléculas la base de
todo el equilibrio trófico o alimenticio de la materia viva, y
constituyen la fuente más abundante de la energía química
(azúcares, almidón, glucógeno) necesaria para el metabolismo
celular.
La intensificación del estudio de los carbohidratos, a conducido al
descubrimiento de nuevas reacciones biosintéticas y de
mecanismos de control enzimático que permiten entender ahora
procesos básicos, como la interacción de unas células con otras y
con el ambiente en que vive. Además se ha determinado que los
carbohidratos pueden servir de la misma manera que los nucleótidos
y los aminoácidos como moléculas claves dentro del lenguaje
molecular de tal modo que la especificidad de varios compuestos
naturales se halla “escrita” en los monosacáridos. Esta capacidad se
origina en el hecho de que un gran número de estructuras pueden
formarse a partir de un pequeño número de monómeros, o sea, que
los monosacáridos pueden servir como las letras en un vocabulario
de especificidad biológica donde las palabras se forman al variar la
naturaleza de los azúcares presentes, el tipo de unión y la presencia
o ausencia de puentes de ramificación. Un ejemplo es el que se
refiere a los grupos sanguíneos A, B, O. Se sabe que la diferencia
entre los grupos sanguíneos A y B reside en una simple unidad de
azúcar que sobresale en la parte terminal de una molécula de
glucoproteína o glucolípido sobre la superficie de eritrocito. En la
sangre tipo A es la acetilcolina y en la sangre de tipo B, la galactosa.
Los dos azúcares difieren en únicamente en un pequeño grupo de
átomos, pero esta diferencia puede ser en ocasiones un asunto de
vida o muerte puesto que si se usa el tipo de sangre incorrecto en
una transfusión sanguínea se causan resultados fatales.
TIPOS DE CARBOHIDRATOS.
Basándose en su complejidad estructural los carbohidratos se
presentan en varias formas de compuestos: Monosacáridos,
oligosacaridos y polisacáridos.
1. MONOSACÁRIDOS.
Son azúcares simples monomoleculares (monómeros),
constituidos por una sola unidad de polihidroxialdehido o
polihidroxiacetona; por ello no pueden ser desdoblados en
compuestos más sencillos por hidrólisis.
Debido a que los hidróxidos son grupos muy polares, todos los
monosacáridos son muy solubles en agua, pueden cristalizar y
atraviesan fácilmente las membranas biológicas.
1.1.
CLASIFICACION.
Los monosacáridos se clasifican en: 1). Por el grupo
funcional, 2). Por el número de átomos de carbono en su
cadena molecular.
a). POR EL GRUPO FUNCIONAL.
Los monosacáridos corrientes tienen el esqueleto
hidrocarbonado no ramificado y todos los átomos de
carbono, excepto uno, poseen un grupo hidroxilo; en
el átomo de carbono restante existe un oxígeno
carbonílico,
que, como
veremos,
se
halla
frecuentemente combinado formando un enlace acetal
o acetaldehído y cetal o cetónico, originando las
aldosas y cetosas.
-
ALDOSAS.- Son monosacáridos cuyo grupo
carbonilo se halla al final de la cadena, originando
una función aldehído (–COH), recibiendo el
nombre de aldosas. Son azúcares reductores, a
consecuencia del grupo aldehído que es muy
reactivo. Son capaces de reducir en caliente y en
medio alcalino al cobre (II), azul a cobre (I), rojo.
Este es el fundamento de las clásicas reacciones
de Fehling y Benedict, entre otras.
El nombre de estos azúcares se hace terminar en
“osa”.
H
H
C
O
C
OH
CH2OH
Aldosa
-
CETOSAS.- Son monosacáridos cuyo oxígeno
carbonilo que forma la función cetona (= C = O) se
encuentra en cualquier otra posesión. El nombre
de
estos
azúcares
se
hace
terminar
frecuentemente en “ulosa”, por ejemplo ribulosa.
b). POR EL NÚMERO DE ÁTOMOS DE CARBONO EN SU CADENA
MOLECULAR.
Según el número de átomos de carbono que posee la
cadena se distinguen los siguientes monosacáridos.
-
TRIOSAS.- (C3H6O3) Con tres átomos de carbono
en su cadena molecular.
H
H
C
O
C
OH
CH2OH
-
TETROSAS.- (C4H8O4) Con cuatro carbonos en
su cadena molecular.
H
C
O
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2 OH
-
PENTOSAS.- (C5H10O5) Con cinco átomos de
carbonos en su cadena molecular.
-
HEXOSAS.- (C6H12O6) Con seis átomos de
carbonos en la cadena molecular.
H
CH2OH
C
O
H
C
OH
H
C
H
C
C
O
HO
C
H
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
CH2OH
Pentosa
-
CH2OH
Hexosa
HEPTOSAS.- (C7H14O7) Con siete átomos de
carbonos en la cadena molecular.
Los monosacáridos existen habitualmente como isómeros,
es decir son moléculas que tienen la misma fórmula
general e empírica, no obstante la fórmula estructural de
las moléculas es muy diferente y les imprime propiedades
físicas y químicas muy distintas; Por ejemplo, la glucosa y
la fructosa tienen la misma fórmula C6H12O6 puesto que
contienen los mismos átomos en las mismas
proporciones, pero las fórmulas estructurales para indicar
el ordenamiento espacial de las partes es muy diferente,
así mismo el sabor de la glucosa ni siquiera se aproxima
al sabor de la fructosa que es el monosacáridos más
dulce.
Los monosacáridos debido a que presentan uno o varios
carbonos asimétricos, tienen la posibilidad de formar
numerosas configuraciones ópticas espaciales en la
cadena hidrocarbonada originando los estereoisomeros
(son imágenes especulares “en un espejo”, una idéntica
de la otra), la más frecuente son, D y L, por sus
configuraciones espaciales, derecha a izquierda (D por
dextro = derecha y L por Levo = izquierda). El caso más
sencillo es el de la aldotriosa gliceraldehído, que tiene un
carbono asimétrico, lo que da lugar a dos configuraciones
posibles, conocidas como isómeros D y L. Todos los
demás azúcares se consideran estructuralmente derivados D ó L – gliceraldehído, por lo que se agrupan en las
familias D y L.
Para saber a que familia pertenece cualquier
monosacárido, basta con representar su fórmula espacial
en configuración Fischer (configuración lineal) y
considerar la configuración del penúltimo carbono. Según
coincida con la del D o la de L-gliceraldehído (–OH a la
derecha o a la izquierda), el azúcar pertenecerá a la
familia D ó L. En los seres vivos la totalidad de los
monosacáridos pertenecen a la familia D.
1.2.
MUTARROTACION EN MONOSACARIDOS.
Cuando se disuelve en agua un monosacárido, es
frecuente comprobar que en su poder rotatorio varía con
el tiempo, hasta alcanzar un valor estable.
Este cambio gradual del poder rotatorio de un
monosacárido en disolución es el que recibe en nombre
de mutarrotación.
Este fenómeno se debe a que la estructura habitual de los
azúcares no es la forma aldehída o cetónica abierta de
Fischer, sino que en la mayor parte de las moléculas, se
establece reversiblemente un enlace hemiacetálico interno
entre el carbonilo y uno de los hidroxilos, dando lugar a las
moléculas de anillo, que dan una representación más
cercana a la realidad y se llama fórmulas de Proyección
de Haworth.
Cuando la formación del enlace hemiacetálico
intramolecular origina un anillo de cinco carbonos (4C+O),
similar al del furano, se dice que el azúcar adopta “forma
furanósica”. Cuando el anillo originado es de seis
carbonos (5C+O) se habla de “forma piranósica” por
similitud con el heterociclo pirano.
Un paso más en la adecuación de las fórmulas a la
estructura real de silla y nave del anillo de piranosa.
1.3.
MONOSACÁRIDOS IMPORTANTES.
a). TRIOSAS.- Son monosacáridos importantes en el
metabolismo celular. Se forman en el catabolismo
anaeróbico de la glucosa.
b). PENTOSAS.- En este grupo se encuentra azúcares
de extremada importancia en la química de la
herencia, son componentes de los ácidos nucleicos:
ribosa, integrantes del ácido ribonucleico (ARN) y
ácido desoxirribonucleico (ADN). La ribosa interviene
además en la formación de la molécula del
adenosintrifosfato (ATP), y en coenzimas NAD
(dinucleótido
de
nicotinamida
y
adenina);
flavoproteínas y la coenzima A o ATP.
c). HEXOSAS.- Estos glúcidos se consideran los más
importantes desde el punto de vista energético y
nutricional ya que la mayor parte de los alimentos
están constituidos por ellos, las principales son:
-
Glucosa.- Es la hexosa más común en los
organismos de todos los reinos de los seres vivos,
y se considera la más importante fuente de
energía y material formativo para la estructura de
las células.
CH2OH
O
H
H
OH
H
H
OH
OH
H
OH
La glucosa en el organismo humano se encuentra
en el plasma sanguíneo en una concentración
aproximada de 0,15%, y está regulada
estrictamente por un complejo mecanismo que
comprende el sistema nervioso, el hígado,
páncreas, suprarrenales y la hipófisis. Las células
cerebrales son particularmente sensibles a la
glucosa y, por debajo de cierta concentración se
daña su función, por ello una disminución
importante en glucosa en la sangre suele provocar
convulsiones e inconsciencia y, quizás, hasta la
muerte. Los alimentos ricos en glucosa
proporcionan energía rápidamente, porque ésta
se disuelve con facilidad en agua y por su tamaño
molecular puede pasar por las membranas
-
biológicas y penetrar en las células donde se
metaboliza.
Galactosa.- Proviene de la hidrólisis de la lactosa
que es el azúcar de la leche. La fórmula
estructural de la galactosa difiere de la glucosa
porque hay una pequeña diferencia en el arreglo
de los átomos. La galactosa en el hígado es
fácilmente convertida en glucosa y metabolizada
posteriormente de ésta manera, sin embargo
algunos bebes sufren el trastorno denominado
galactosemia, debido a que ha heredado una
incapacidad para convertir la galactosa en
glucosa, y a consecuencia de esta incapacidad
metabólica enferma.
CH2OH
O
OH
H
OH
H
H
H
H
-
1.4.
OH
OH
Fructosa.- Es el más dulce de los monosacáridos:
tiene la misma composición química de la glucosa,
pero con un grupo cetona (= C = O) en el
carbono 2, en lugar del grupo aldehído. Este
azúcar se origina por el desdoblamiento de la
sacarosa (disacárido) y en el organismo se puede
transformar en glucosa. En los vegetales se
encuentra en forma libre.
MONOSACÁRIDOS DERIVADOS.
a). Aminoazúcares.- Se origina por sustitución en un
grupo hidroxilo por un grupo amino en los
monosacáridos. Generalmente la sustitución suele
producirse en el carbono 2, son ejemplos la
glucosamina derivado de la glucosa y unidad básica
de
la
quitina
y
también
se
encuentra
mucopolisacáridos;
la
galactosamina
derivado
aminado de la galactosa.
Existen derivados importantes de la glucosamina y
galactosamina, como la N–acetilglucosamina y Nacetilgalactosamina (La N significa que la acetilación
se realiza en el grupo amino). Son componentes
importantes de los polisacáridos de los cartílagos.
b). Azúcares ácidos.- Se forman cuando los extremos de
la cadena carbonada de los monosacáridos se oxidan
para dar ácidos carboxílicos. Así se obtienen los
ácidos aldónico (con el carboxilo en el C1); urónicos
(con el carboxilo en el carbono terminal) y aldárico (en
ambos extremos). Son componentes importantes de
los mucopolisacáridos.
2. OLIGOSACÁRIDOS.
Los oligosacaridos son polímeros de los monosacáridos, con
escaso número de monómeros, que comprende de 2 a 10
componentes monosacáridos. La unión de los monosacáridos
tiene lugar mediante enlaces acetálicos o glucosídicos.
Los monosacáridos se pueden unir por condensación;
quitándole un hidroxilo a uno y un hidrógeno a otro para formar
agua. La línea de divisoria entre oligo y polisacárido es bastante
arbitrarías, dado que “oligo” significa únicamente “pocos”.
2.1.
CLASIFICACION.
Según el número de unidades que lo forman se agrupan
en disacáridos a decasacáridos. De éste grupo sólo los
disacáridos tienen importancia biológica.
a). DISACÁRIDOS.
Están constituidos por dos monosacáridos unidos por
enlaces glucosídicos. Al hidrolizarse estos azúcares
producen 2 moléculas del mismo o de diferentes
monosacáridos. Los disacáridos más corrientes son:
sacarosa, maltosa, lactosa, celobiosa.
-
Sacarosa.- Es el disacárido más común en la
alimentación, se obtiene comercialmente de la
caña de azúcar o de la remolacha azucarera. Está
formada por una –D–glucosa y una -D-fructosa,
alcanzadas por una unión  1 – 4. Esto significa
que el carbono 1 de la glucosa está unido por un
puente de oxígeno con el carbono número 4 de la
fructosa. La sacarosa no es un azúcar reductor
debido a que no tiene grupo aldehído y cetónico
libre, por lo que no reducen las soluciones
alcalinas de cobre.
-
Lactosa.- Es el azúcar de la leche. La lactosa
representa el 5% del contenido sólido de la leche
de la mayoría de los mamíferos, está compuesta
de D–galactosa en unión –4 con la D–glucosa.
Este azúcar tiene propiedades reductoras.
-
Maltosa.- Esta formada por dos unidades de
glucosa. La maltosa es importante por ser el
principal producto que se forma de la hidrólisis
enzimática del almidón en el tubo digestivo de los
animales.
-
Celobiosa.- Es el disacárido que se repite en la
celulosa, está formada por la unión de dos
moléculas de glucosa.
CH2OH
CH2OH
O
OH
H
OH
H
OH
O
H
H
O
H
OH
H
H
H
H
H
OH
OH
Lactosa
CH2OH
CH2OH
O
H
H
H
OH
O OH
H
H
OH
H
H
O
OH
H
H
H
OH
OH
Maltosa
3. POLISACÁRIDOS.
Los polisacáridos tienen la fórmula general (C6H10O5)n, estos
polímeros están formados por condensación de unidades
pequeñas (monómeros), con eliminación de una molécula de
agua por cada enlace glucosídico, producido. Estos enlaces
pueden ser  o –glucosídicos, dependiendo de si el grupo
hidroxilo del carbono 1 está en la conformación  o  en los
monómeros monosacáridos.
Los polisacáridos atendiendo a un criterio funcional, se pueden
clasificar en polisacáridos de reserva y polisacáridos
estructurales.
3.1.
POLISACÁRIDOS CON FUNCIONES DE RESERVA.
Los más importantes son tres: amilosa, amilopectina y
glicógeno. Los dos primeros constituyen los granos de
almidón o materiales de reserva de los vegetales, y
representan la principal fuente de nutrición glucídica de la
humanidad, mientras que el tercero es la reserva propia
de los animales.
a). Amilosa.- Es un polímero lineal formado por unas 250
– 300 unidades de glucosa unidas exclusivamente por
enlaces (1 –4). La amilosa se diluye fácilmente en
agua, adquiriendo una estructura secundaria
helicoidal.
O
H
O
H
H
H
H
O
O
O
O
O
O
OH
O
O
O
O
H
OH
O
O
H
H
O
H
OH
O
O
H
OH
O
H
O
H
H
OH
H
OH
OH
O
H
H
O
H
O
H
H
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
H
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
Esta estructura secundaria consciente que el ión yodo
(I3-) penetre en el interior del helicoide, y transmita a la
disolución una coloración azul violeta característica.
Como esta coloración no es el resultado de ninguna
interacción covalente, el calentamiento origina la
desactivación del helicoide y la pérdida del color, que
se recupera al enfriar lentamente la disolución.
b). Amilopeptina.- Es un polímero ramificado, compuesto
por unas 1000 unidades de glucosa, que además de
las unidades (1 –4) contiene, cada 20 ó 30 de ellas,
una unión (1 –6), de la que parte una nueva rama
formada por enlaces (1 –4). La Amilopeptina da color
rojo violáceo con el yodo. El agua hirviendo disuelve a
la Amilopeptina, originando disoluciones coloidales,
opalescentes, que son estables a temperatura
ambiente.
O
H
OH
H
O H
H
H
OH
H
H
OH
H
H
OH
H
H
OH
H
H
OH
H
H
OH
O
CH2
CHOH
2
O H
H
H
OH
O
OH
H
OH
H
H
OH
O H
H
H
OH
H
H
OH
O H
H
H
OH
H
O
O
O
O
H
H
CHOH
2
O
O H
H
O
OH
CHOH
2
H
O H
H
O
H
CHOH
2
CHOH
2
CHOH
2
CHOH
2
H
H
c). Glucógeno.- Es el polisacárido de reserva de las
células animales. Tiene una estructura similar a la
Amilopeptina, pero con ramificaciones más frecuentes,
cada 8 – 12 monómeros. Con el yodo da color rojo. El
glucógeno tiene especial importancia en el reino
animal porque garantiza un aporte endógeno
instantáneo y considerable de glucosa, de acuerdo
con las necesidades biológicas.
Aunque la glucosa es el principal constituyente de los
polisacáridos de reserva, no es el único.
OH
Existen polisacáridos de reserva, sobre todo en el reino
vegetal, cuyas unidades integrantes son otros
monosacáridos. Es el caso de inulina frecuente en los
tubérculos de dalia, formada por cadenas lineales de –
D–fructosa en enlaces (2 –1) cuyo extremo reductor está
enmascarado por una –D–glucosa unida en enlace doble
glucosídico.
3.2. POLISACÁRIDOS ESTRUCTURALES.
a). Celulosa.- Constituye parte de la pared de las células
vegetales y también una serie de estructuras que
forman el esqueleto de sostén de los vegetales. La
celulosa contiene miles de monómeros de glucosa en
secuencia lineal unidos por enlaces (1 –4).
4. POLISACÁRIDOS DERIVADOS.
Los polisacáridos derivados son polímeros, de elevado peso
molecular, formados por la condensación de monosacáridos
derivados.
Se forman por la repetición de un solo monómero como en la
quitina, en otros casos hay varios monómeros en secuencias
internantes, unas veces se presentan solos, otras veces unidos
covalentemente a lípidos, proteínas o secuencias peptídicas
repetitivas. Los polisacáridos derivados se desempeñan como
antígenos de los grupos sanguíneos, matriz del cartílago y
paredes bacterianas.
Los polisacáridos derivados de acuerdo a su estructura se
pueden clasificar en:
Polímeros lineales constituidos por monómeros de un solo tipo.
Polímeros lineales constituidos por dos tipos de monómeros, en
secuencias alternas.
Polímeros, ramificados de estructura compleja.
PRIMER GRUPO:
- Quitina.- Es un polisacárido derivado de naturaleza
estructural, constituye el esqueleto de los artrópodos
(crustáceos, insectos, arañas), y forma las paredes celulares
en los hongos. Está formado por unidades repetitivas de N–
acetilglucosamina en enlaces (1 –4), y guarda completa
analogía estructural con la celulosa.
-
Peptinas.- Son polímeros del ácido D–galacturónico
(parcialmente esterificado con grupos metilo) conectados
por medio de uniones glucosídicas (1 –4). Se encuentra en
las paredes celulares de los vegetales aunque en menor
proporción que la celulosa.
SEGUNDO GRUPO.
En el segundo grupo pre-dominan los polisacáridos de carácter
ácido y se le conoce como mucopolisacáridos, así tenemos:
-
Ácido hialurónico.- Es un poli-sacárido derivado viscoso,
de elevado peso molecular, formado por moléculas alternas
de ácido hialurónico y acetilglucosamina. El ácido
hialurónico es el componente esencial de la sustancia
intercelular del tejido conectivo y es el que le confiere el
carácter viscoso. Abunda en el líquido sinovial donde actúa
como lubricante, en el humor vítreo, gelatina de Warthon del
cordón umbilical.
-
Sulfato de condroitina.- Mucopolisacárido sulfatado, su
estructura semeja a la del ácido hialurónico, pero la
acetilglucosamina esta reemplazada por el sulfato de
galactosamina.
-
Heparina.- Polisacárido derivado muy importante por sus
propiedades anticoagulantes. Es un polisacárido compuesto
por unidades de ácido glucorónico y galactosamina
sulfonada.
09
TEMA
PROTEÍNAS
PROTEÍNAS
El término proteína deriva del griego “Proteios” que significa “primero
o de primera importancia” y fue sugerido por Berzelius.
Las proteínas son compuestos cuaternarios formados básicamente
por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y en menor proporción
azufre; son macromoléculas de elevado peso molecular, y
estructuralmente son polímeros lineales (poli = mucho + meros =
partes) formados por unidades constructivas básicas, los
aminoácidos o de aminoácidos unidos con algún otro tipo de
molécula; y en este último caso se dice que la proteína está
conjugada.
Las proteínas son las moléculas fundamentales tanto para la
estructura como para la función de las células y son consideradas
como el producto final de la acción de los genes. Las proteínas se
hallan cifradas en clave en los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y
junto con ellos constituyen las moléculas informativas de los seres
vivos.
I.
AMINOÁCIDOS.
Son monómeros (mono = uno + meros = parte) o unidades
estructurales de construcción de las proteínas. Los aminoácidos
son compuestos nitrogenados que contienen un grupo amino
(NH2) y el grupo carboxilo (COOH), separados por un átomo de
carbono alfa que se une a un átomo de hidrógeno y un grupo R
específico y característico el radical o cadena lateral, que
determina las propiedades físicas y químicas del aminoácido y
comúnmente se abrevia como (R). El grupo amino (–NH2)
comunica propiedades básicas a los aminoácidos, mientras
que el grupo carboxilo (– COOH) comunica las propiedades de
los ácidos orgánicos y, por lo mismo, todos los aminoácidos son
cuerpos anfóteros y se comportan al mismo tiempo como ácidos
y bases según el medio en que se encuentran, por este motivo
el aminoácido es un Zwitterion o ión hermafrodita, sin embargo,
un aminoácido en solución acuosa nunca se encuentra en forma
sin carga, sino que varía entre tres estados ionizados.
H
H
R
O
N
C
C
OH
GRUPO
CARBOXILO
GRUPO
AMINO
H
Estructura básica de un aminoácido
+H N
3
R
O
C
C
+
H
H
OH
OH
-
+HN
3
R
O
C
C
H
O
-
OH
+
H
H2N
R
O
C
C
O
-
H
Tres estados ionizados de un aminoácido en solución acuosa
1. CLASIFICACION DE LOS AMINOÁCIDOS.
Los aminoácidos se pueden agrupar en aminoácidos
proteicos y no proteicos.
1.1.
Aminoácidos proteicos.- Se encuentran formando la
estructura de las proteínas, estos aminoácidos se
agrupan en:
a). Aminoácidos
proteicos
codificables
o
universales.- Son veinte, y han sido incorporados
como tales a las proteínas según la estructura
general ya descrita, tiene una parte fija constituida
por las funciones amina y carboxilo enlazadas al
carbono alfa (C2) y un radical variable R. Según la
naturaleza del radical (R) se pueden clasificar en
cuatro grandes grupos de aminoácidos: apolares,
polares, sin carga, aniónicos y catiónicos.
b). Aminoácidos proteicos no codificables.Cuando tras ser incorporados a las proteínas
sufren cambios o modificaciones en su estructura
química por modificaciones post sintética, lo que
da origen a aminoácidos proteicos no codificables.
Ejemplos la 4–hidroxiprolina o la 5–hidroxilisina,
que se encuentran en la proteína colágena.
1.2.
Aminoácidos no proteicos.- Son los que no forman
parte de las proteínas, se conoce más de un centenar
de ellos. Las funciones biológicas de estos
aminoácidos son en general desconocido. Ejemplo,
los aminoácidos, L–ornitina, y la L–citrulina son
importantes intermediarios en el metabolismo de la
eliminación del nitrógeno.
TABLA Nº 01: ESTRUICTURA DE LOS 20 AMINOACIDOS CODIFICABLES.
COOH
FORMULA GENERAL:
H2 N
C
R
H
FORMULA
NOMBRE
SIMBOLO
L – Alanina
Ala
L – Valina
Val
L – Leucina
Leu
COOH
H2N
CH3
C
H
COOH
H2N
C
CH
CH3
H
APOLARES
CH3
COOH
H2N
C
H
CH2
CH3
CH
CH3
COOH CH3
H2N
C
C
H
H
CH2 CH3
L – Isoleucina
Ile
L – Metionina
Met
L - Fenilalanina
Phe
L – Prolina
Pro
COOH
H2N
CH2
C
H
COOH
H2N
C
CH2
CH2 S CH3
H
COOH
HN
H
L – Triptófano
COOH
H2N
C
H
CH2
Trp
HN
COOH
H2N
C
H
Glicina
Gly
CH2OH
L – Serina
Ser
L – Treonina
Thr
L – Tirosina
Tyr
L – Cisterna
Cys
POLARES SIN CARGA
H
COOH
H2N
C
H
COOH
H2N
CH3
C
3R
H
COOH
H2N
OH
CH2
C
H
COOH
H2N
CH2
C
2R
H
SH
COOH
H2N
C
O
CH2
L
Asparragina
C
COOH
C
O
CH2
CH2
C
ANIONICOS
C
L – Glutamina
Gln
L – Aspartato
Asp
L – Glutamato
Glu
NH2
H
COOH
H2N
Asn
NH2
H
H2N
–
CH2
COO
H
COOH
H2N
C
H
CH2
CH2
COO
COOH
H2N
C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
NH3
L – Lisina
Lys
L – Arginina
Arg
L – Histidina
His
H
COOH
H2N
C
NH2
C
H
CATIONICOS
+
NH2
COOH
H2N
C
H
+
NH
CH2
NH
II. ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS PROTEINAS.
Es el conocimiento de la forma tridimensional que adopta la
cadena polipeptídica en el espacio. La estructura molecular, se
llama configuración nativa de la proteína y depende
principalmente del número, tipo y secuencia de los aminoácidos
en la cadena polipeptídica.
La estructura molecular, es la que determina las propiedades
físicas, químicas y biológicas de las proteínas.
Los bioquímicos consideran cuatro niveles de estructura de las
proteínas: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.
1. ESTRUCTURA PRIMARIA.Está determinada por el
número, tipo y ordenación de los aminoácidos en forma
esférica, uno a continuación de otro, originando una
secuencia única en la cadena polipeptídica sencilla. En esta
ordenación interviene los enlaces peptídicos y en forma
secundaria los enlaces disulfuros.
Arg
Ala
Gly
Pro
His
Ser
Asp
Asn
Ile
Thr
Cys
Lys
Leu
Trp
Gln
Tyr
Glu
Met
Phe
Val
Los aminoácidos a lo largo de la cadena proteica, se
ordenan en serie (secuencia) por medio de enlaces
peptídicos. Estos enlaces peptídicos se forman entre el
grupo carboxilo (–COOH) de un aminoácido y el grupo
amino (–NH2) del siguiente aminoácido, produciéndose la
pérdida de una molécula de agua H2O. Cada aminoácido en
posición interna dentro de una cadena polipeptídica se
denomina residuo.
Las cadenas polipeptídicas se caracterizan por tener un eje
central o esqueleto, formado por aquella parte común en
todo aminoácido y que forma la secuencia N–C–C–N–C–C,
que se repite en la cadena y por el resto de cada
aminoácido, que varía grandemente el grupo R o cadena
lateral. Las diversas características de los grupos R de los
aminoácidos son muy importantes tanto en las reacciones
intermoleculares que son determinantes para llevar a cabo
las funciones de la proteína, como la reacciones intramoleculares, que determinan las estructuras proteicas.
H
H
R
O
N
C
C
H
OH
OH
H
R
O
N
C
C
H
OH
H
H
R
O
H
R
O
N
C
C
N
C
C
H
ENLACE
PEPTIDICO
OH
+
H2O
H
Formación de un enlace peptídico por la condensación de dos aminoácidos.
En la célula, esta reacción se efectúa en los ribosomas durante la síntesis
de las proteínas.
Sea cual fuere el tamaño de la cadena peptídica, siempre
habrá un extremo con un grupo amino libre (extremo N) y el
otro con el extremo carboxilo (extremo C). La molécula
tendrá por lo tanto una direccionalidad y se considera como
primer aminoácido al que tiene el grupo amino y como último
al que tiene el grupo carboxilo libre. La cadena polipeptídica
mantiene un carácter anfótero, ya que siempre un extremo
ácido y el otro extremo básico. Este doble comportamiento
está condicionado a la concentración de iones de hidrógeno
+
H de la solución en la que se encuentra el Péptido. Si la
concentración de iones H+ es elevada (pH ácido) los
protones son impulsados hacia el grupo amino,
convirtiéndolo en un grupo con carga positiva NH +3, en
cambio, si la concentración de iones H+ es baja (pH básico),
los protones se escapan del grupo carboxilo quedando
cargado negativamente (–COO-).
A un pH determinado de la solución llamado punto
isoelectrico, mientras que unos protones se separar del
grupo carboxilo (COO-, otros se unen al grupo amino (NH+3).
La estructura primaria de una molécula de proteínas es
importante cuando menos por dos razones:
La estructura primaria en la proteína determina la
conformación tridimensional de la molécula y por lo tanto su
papel en la función celular.
La estructura primaria de un péptido o una proteína es una
traducción lineal de la secuencia de los nucleótidos del ADN
(ó ARN) y, por lo mismo, proporciona información acerca de
la contribución genética (normal o errada) para la síntesis de
proteínas y el potencial celular.
H2N
R1
H
O
R3
H
O
R5
CH
N
C
CH
N
C
CH
C
O
CH
N
R2
H
C
O
CH
N
R4
H
COOH
Los enlaces peptídicos unen a los aminoácidos, los grupos R de los aminoácidos se
indican con letras de tipo diferentes. A las cadenas de aminoácidos se les llama
polipéptidos.
La disposición de los aminoácidos en un orden adecuado
determina la estructura molecular específica de la proteína
para realizar la función apropiada, y un cambio o disposición
errónea de un solo aminoácido en la estructura primaria de
la proteína puede producir una alteración radical en la
función vital dando origen a las enfermedades hereditarias.
La hemoglobina humana es una proteína con 146
aminoácidos y en una porción de su cadena tiene una
secuencia normal de: prolina–valina–ácido glutámico, sin
embargo las personas con la enfermedad llamada anemia
falciforme o drepanocítica tienen una secuencia anormal
(errónea): prolina–ácido glutámico–ácido glutámico, en
donde la valina es sustituida por el ácido glutámico en la
sexta posición de la cadena de los aminoácidos, lo cual
conduce a interacciones alteradas y a la forma anómala de
la proteína. El cambio de la forma molecular causa
interferencias en la unión del oxígeno molecular a la
hemoglobina en la corriente sanguínea, provocando una
variedad de problemas metabólicos que reducen las
expectativas de vida del individuo.
2. ESTRUCTURA SECUNDARIA.- Es la configuración en
hélice que se produce mediante el retorcimiento en espiral
que se forma de manera espontánea en la cadena
polipeptídica que ha sido sintetizada. El término
configuración o conformación, se refiere al arreglo
tridimensional de los átomos de una molécula, y su
organización en el espacio.
Esta estructura secundaria, presentan dos tipos de
conformación alfa hélice y beta hélice o en hoja plegada.
2.1.
Configuración alfa hélice.- Es el enrollamiento en
espiral, se estabiliza o mantiene por la formación de
numerosos puentes de hidrógeno que se forman,
entre el oxígeno de grupo carbonilo (C = O) de un
enlace peptídico con el hidrógeno del grupo amino (N
- H) de otra unión peptídica, que se encuentra cuatro
aminoácidos más adelante en la cadena. El enlace
puente de hidrógeno es el resultado de la atracción
electrostática entre un par de electrones no
compartidos de un átomo y el extremo de carga
positiva de una molécula polar. Esta alfa hélice tiende
a enrollarse hacia la derecha, es decir, en sentido de
las manecillas del reloj.
Las proteínas con una configuración alfa hélice, son
generalmente solubles y químicamente activas. En
otras palabras, son enzimas y toman parte en
numerosas reacciones metabólicas de la célula.
2.2.
Configuración beta hélice.- Es una disposición
sencilla entre dos cadenas polipeptídicas adyacentes
que adquieren la forma de pliegues o dobleces
paralelos por la formación de puentes de hidrógeno
entre enlaces peptídicos en dos cadenas distintas, la
presencia de grupos laterales pequeños como los de
glicina y alanina favorecen este tipo de puentes.
R
H
C
N
C
C
N
O
H
H
R
N
C
C
R
O
R
R
C
O
H
N
C
O
H
R
H
C
O
C
C
N
C
N
N
H
R
C
O
C
C
R
O
C
C
N
O
H
C
C
R
R
En la beta hélice, los puentes de hidrógeno entre
uniones
peptídicas
están
localizados
perpendicularmente al eje de la molécula, el conjunto
de las dos cadenas adquiere una forma que se puede
describir como hoja plegada.
3. ESTRUCTURA TERCIARIA.- Se origina cuando las
cadenas
poli-peptídicas
de
estructura
secundaria
principalmente de la configuración alfa hélice pueden
mantener su ordenamiento sin posteriores modificaciones,
solo introduciendo ligeras torsiones, dobleces o
enrollamientos longitudinales para formar estructuras que se
asemejan a un ovillo o a finos filamentos.
Puente
disulfuro
Interacción
hidrofóbica
SS
COO- H3N+
H
O
Puente
eléctrico
O
H
Puentes
eléctricos
La estabilización de los plegamientos de la estructura
terciaria de las proteínas, son mantenidos por enlaces
covalentes como el puente disulfuro S–S y enlaces débiles
no covalentes, como la interacción de los grupos R, enlaces
iónicos, puentes de hidrógeno y enlaces hidrofóbicos,
enlace polar, fuerzas Van der Waals.
La estructura terciaria de las proteínas, es fibrosa y globular.
3.1.
Estructura terciaria fibrosa.- Cuando las cadenas
proteicas de la estructura secundaria sufren ligeras
torsiones longitudinales como en la hebras de una
cuerda, es el caso del colágeno, la queratina del
cabello, la fibroína de la seda, (cuya estructura
secundaria puede ser alfa hélice o en hoja plegada).
3.2.
Estructura terciaria globular.- Es más frecuente que
la cadena polipeptídica secundaria alfa hélice sufre
nuevos plegamientos para dar origen a una estructura
globular como un ovillo, como es el caso de las
enzimas.
La estructura terciaria es de gran importancia para
determinar la estructura fina de una proteína y puede
contribuir a determinar las propiedades catalíticas
(específicas) de las proteínas biológicamente activas, de tal
manera que las alteraciones de la estructura terciaria (o sea
la forma), puede implicar la pérdida de la actividad biológica.
4. ESTRUCTURA CUATERNARIA.- Es la forma como
diversas cadenas polipeptídicas o subunidades se asocian
espacialmente para formar las llamadas proteínas
oligoméricas (oligo = pocos + meros = partes). En la
estructura cuaternaria las subunidades pueden ser idénticas
y en otros casos son distintas pudiendo existir más de un
tipo de cadenas polipeptídicas. Por lo general, se encuentra
que las proteínas de elevado peso molecular por arriba de
50 mil Daltons tienen estructura cuaternaria.
La estructura cuaternaria modula las actividades biológicas
de las proteínas. Tanto las proteínas transportadoras
(hemoglobina), y las proteínas enzimáticas como la
aspartato transcarbamilasa (ATC–asa), pierden buena parte
de su acción específica al fraccionarlas en subunidades. La
proteína íntegra, al realizar la catálisis propia, admite una
regulación de su actividad, es decir puede frenarse o
acelerarse, en respuesta a metabolitos concretos que
pueden ser el mismo substrato o distintos moduladores
alostéricos.
La proteína mejor estudiada en cuanto al análisis de su
estructura cuaternaria es la hemoglobina, cada molécula de
hemoglobina presenta dentro de un glóbulo rojo de un
humano adulto está formada por dos cadenas alfa y dos
cadenas beta.
Las fuerzas que mantienen unidas las cadenas
polipeptídicas para dar una estructura cuaternaria suelen ser
de tipo físico–químico (enlaces hidrofóbica y electroestática),
y el ensamblaje de subunidades que se realizan
espontáneamente. Ocurre así por que la ordenación
cuaternaria adopta representa un mínimo de energía libre,
para la molécula.
III. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS.
La gran heterogeneidad estructural de las proteínas les permite
cumplir diversas funciones de sustancias de reserva, como
moléculas estructurales pero la gran mayoría de proteínas son
enzimas, es decir catalizadores de reacciones bioquímicas
específicas dentro de las células.
Las proteínas que se ingieren con la dieta cotidiana son
degradadas hasta aminoácidos, los cuales entran a la célula y
participan en dos tipos generales de funciones: síntesis de
nuevas proteínas específicas de la propia célula y formación de
compuestos no proteicos de importancia fisiológica.
Muchas proteínas pueden realizar una gran variedad de
funciones, sin embargo, cada tipo de proteína está hecha de una
forma tan ordenada como para realizar una función específica;
así tenemos:
Función de soporte estructural y mecánico dentro y fuera de la
célula en el espacio extracelular, por ejemplo las fibras
colágenas del tejido conectivo o las queratinas de la piel y del
pelo.
Función de regulación y modulación de la información genética
dentro de las células y entre estas, por ejemplo las proteínas
encargadas de los procesos de selección natural por medio de
las cuales un determinado gen puede estar activo en cierto tipo
de célula o quedar inactivo en otra. Dentro de este tipo también
se incluyen muchas hormonas, como el Glucagón y la insulina.
Función de transporte, son necesarias para unir y transportar
específicamente otras moléculas. Dicho trans-porte puede
efectuarse dentro de la célula, por ejemplo, entre el citoplasma y
el núcleo, o a través de la membrana plasmática, como es el
caso de los sistemas de transporte iónico, o entre una célula y
otra, como sucede con la hemoglobina del eritrocito de la
sangre que transporta oxígeno.
Función de movimiento y de coordinación, como es el caso de
los microtúbulos y microfilamentos del huso acromático o
mitótico, la actina y miosina en la contracción muscular.
Función de protección inmunitaria, constituyen la base de la
especificidad biológica y de los fenómenos inmunológicos, los
anticuerpos son proteínas (inmunoglobulinas).
Función tóxica, muchas proteínas se comportan como venenos
y toxinas, por ejemplo, el veneno de serpientes y la toxina
diftérica.
Función receptora de virus, como el interferón, una sustancia
con importancia activa antiviral, también es proteína.
CUADRO DE CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS
I.- PROTEÍNAS SIMPLES.- Formadas únicamente por aminoácidos:
PROTEINAS
SOLUBILIDAD
EJEMPLOS
Albúminas
Globulinas
Glutelinas
Prolaminas
Solubles en el agua
Solubles en soluciones ácidas diluidas
Solubles en soluciones ácidas o alcalinas,
insolubles en medio neutro.
Ovoalbúmina, seroalbúmina
Seroglobulina, lactoglobulina
Solubles en alcohol de 70 – 80 º
Gliadina, Zeína, Protaminas del núcleo del
espermatozoide.
Nucleohistonas, intervienen en la formación del
edificio molecular, cromosoma.
Salmina
Queratina (de los pelos, uñas, lana, cuernos),
elastina.
Protaminas
Solubles en agua, insolubles en solución
alcalina
Muy solubles en agua
Escleroproteínas
Insolubles en todos los reactivos comunes
Histonas
Glutelina, del gluten del trigo.
II.- PROTEÍNAS CONJUGADAS.- Principalmente aminoácidos más grupo prostético:
PROTEINAS
GRUPO PROSTÉTICO
EJEMPLOS
Fosfoproteínas
Glucoproteínas
Nucleoproteínas
Cromoproteínas
Lipoproteínas
Metaloproteínas
Ácido fosfórico
Carbohidratos
Ácido nucleico
Porfirinas del tipo de las hierroporfirinas,
magnesioporfirinas
Lípidos
Metales
Caseína, vitelina
Mucina (saliva)
Ribonucleoproteínas
Hemoglobina, mioglobina, clorofila, cito-cromos
Lipoproteínas del suero.
Insulina (Zn), Hemocianina (Cu), Ferritina (Fe).
10
Biología
TEMA
ENZIMAS
162
Alejandro H. Ramirez
163
Biología
ENZIMAS
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores
biológicos, aceleran la velocidad de las reacciones químicas dentro
o fuera de las células. Las enzimas actúan sobre una sustancia
llamada substrato a la que transforman en productos.
En el interior de las células ocurren una infinidad de reacciones
químicas, ya sea de síntesis o de degradación, estas reacciones son
catalizadas por las distintas enzimas que se distribuyen en los
diferentes comportamientos celulares constituyendo un sistema
multienzimático.
Las enzimas son proteínas con capacidad catalítica, o sea, que
aceleran las reacciones químicas que se realizan en los seres vivos
y son verdaderos catalizadores por poseer las siguientes
características:
Funcionan en cantidades sumamente pequeñas. Permanecen
inalterables después de actuar en la reacción.
No tienen ningún efecto en el equilibrio de la reacción que catalizan,
sino que únicamente disminuyen los requerimientos energéticos
para llevar a cabo la reacción requerida. Así tenemos por ejemplo, la
descomposición enzimática de la glucosa requiere de una energía
mínima de activación en cambio, fuera de un sistema viviente es
necesario suministrar una cantidad relativamente grande de energía
de activación.
1. NATURALEZA ENZIMÁTICA.
Es un hecho aceptado que todas las enzimas son proteínas.
James Summer, en 1926 extrae del haba la enzima ureasa
obtenida por primera vez en forma purificada y cristalizada.
164
Alejandro H. Ramirez
Desde el punto de vista de su composición química podemos
considerar dos grandes grupos de enzimas:
Enzimas que son proteínas simples, están formadas por la unión
de aminoácidos, como es el caso de la pepsina, alfa–amilasa,
tripsina ureasa, etc.
Enzimas que son proteínas conjugadas, es decir, contienen
componentes no proteicos llamados cofactores enzimáticos.
Los cofactores enzimáticos pueden ser:
a). Iones inorgánicos.- como Mg2+, Zn2+, Na+, K+, Cu+, Cl-, etc.
b). Coenzimas.- Moléculas orgánicas complejas no proteicas.
En este caso la enzima activa recibe el nombre de Holoenzima y
está constituida por la fracción proteica que toma el nombre de
apoenzima, unida a la fracción no proteica o cofactor.
Es frecuente que las coenzimas deriven de vitaminas
hidrosolubles. Por ejemplo: De la vitamina B2 o riboflavina
derivan las coenzimas FMN (Falvina-mononucleótido), FAD
(Falvina-mononucleótido). De la vitamina nicotinamida o facto
pp., derivan la coenzimas NAD (nicotinamida adenina
dinucleótido) NADP (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato).
Las coenzimas unidas muy fuertemente (por enlaces “fuertes” o
covalentes) a las proteínas, constituyen verdaderos grupos
protéticos.
2. MECANISMO DE ACCION DE LAS ENZIMAS.
Como catalizadores, las enzimas aceleran la ruptura y los
procesos de formación de enlaces. Como cabe esperar para que
165
Biología
una molécula enzimática en particular realice esta tarea, tiene
que incorporar íntimamente a las modificaciones que se
efectúen en el substrato.
Al iniciarse los estudios sobre las enzimas se postuló que el
proceso de la reacción, la enzima (E) se une al substrato (S)
formándose un complejo enzima-substrato (ES) que luego se
desdobla liberándose la enzima y los productos de la reacción
(P). La secuencia de las reacciones es como sigue:
- (E) + (S)  (ES)
- (ES)  (E) + (P)
Una vez formado el complejo (ES), ocurre una reacción
intramolecular la que trae como consecuencia que se altere de
alguna manera la estructura electrónica del substrato, este
hecho constituye el efecto catalítico de la enzima que determina
la formación del producto.
La unión de la enzima con el substrato para formar el complejo
enzimático–substrato ha sido explicada por Emil Fisher,
mediante la teoría de la interacción de una llave con su
cerradura de tal manera que la apertura de una cerradura puede
ser comparable con el efecto de la acción enzimática. Luego de
producida la reacción la llave se mantiene y puede actuar
nuevamente en otra cerradura del mismo tipo.
La teoría llave–cerradura ha conducido a la idea del sitio activo
de las enzimas.
El sitio activo, es una región determinada de la molécula
enzimática que participa de manera directa en la interacción con
el substrato, es decir es una región especial que es exactamente
complementaria con la forma del substrato y está determinada
por los residuos de aminoácidos dispuestos para que las
166
Alejandro H. Ramirez
moléculas del substrato se unan de forma adecuada con la
enzima y sean objeto de las reacciones catalíticas necesarias.
Los residuos de aminoácidos que intervienen en la configuración
del sitio activo durante la unión enzima–substrato. Interactúa
mediante enlaces iónicos e interacciones débiles como puente
H, fuerza de Van der Waals, etc.
La teoría llave–cerradura implica una interacción rígida ante la
enzima y el substrato sin embargo, se ha sugerido que la
interacción no es tan rígida y que el sitio activo de la enzima
tiene en cierta flexibilidad que le permite modificar su estructura
para acoplarse mejor con el substrato. Esta nueva idea ha
llevado a la concepción de la teoría del encaje inducido. Esta
teoría propuesta por Daniel Koshland establece que muchas
enzimas la unión enzima y substrato induce un cambio previo
en la configuración de la enzima y sólo después de éste cambio
se forma con complejo enzima substrato.
La actividad enzimática se caracteriza por ser específica, esto
quiere decir que una enzima no puede actuar sobre cualquier
substrato sino que la enzima discrimina o selecciona al substrato
sobre el que debe actuar.
La especificidad de las enzimas puede ser:
a). Especificidad absoluta.- Cuando una enzima actúa sobre
un substrato determinado y es incapaz de actuar sobre otros
tipos
de
substrato
aunque
sean
estrechamente
relacionados. Por ejemplo, la enzima sacarasa cataliza la
descomposición de la sacarosa en glucosa y fructosa, sin
embargo no afecta a otros disacáridos como la lactosa o
maltosa.
167
Biología
b). Especificidad relativa.- Cuando la enzima puede actuar
sobre un grupo determinado de substratos debidamente
relacionados. Así la tripsina es una enzima proteolítica
(cataliza la hidrólisis de proteínas) que actúa sobre un
determinado de uniones peptídicas, de muchas proteínas
distintas.
3. FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD DE LAS
ENZIMAS.
Los siguientes factores tienen efectos importantes sobre la
actividad de las enzimas.
- Concentración del substrato.
- Concentración de la enzima.
- Temperatura.
- PH.
- Activadores específicos.
- Inhibidores enzimáticos.
- Reguladores alostéricos.
a). Concentración del substrato.- La velocidad de las
reacciones catalizadas por enzimas, depende de la
concentración del substrato (S). Si se aumenta en forma
progresiva la concentración del substrato, manteniendo fija
la concentración de la enzima, se produce al principio un
aumento considerable en la velocidad de la reacción, sin
embargo, si se continua aumentando el substrato se llega a
un punto de equilibrio, el cual por más que se incremente el
substrato, la velocidad ya no se modifica, o sea que habrá
llegado a su máximo.
b). La concentración de la enzima.- La concentración de la
enzima afecta la velocidad de una reacción enzimática en
una forma a lo señalado en el caso anterior, es decir, si se
mantiene constante la concentración del substrato, a medida
168
Alejandro H. Ramirez
que se aumente la concentración de la enzima se
incrementa la velocidad de la reacción, hasta llegar a un
punto en el que se satura totalmente con la enzima, de tal
manera que los incrementos adicionales no tendrá influencia
sobre la velocidad de la reacción.
La influencia de la concentración de la enzima y del
substrato en la velocidad de una reacción, guarda relación
con la teoría llave cerradura, toda vez que el número de
cerraduras (cantidad de substrato) que se puede abrir
dependerá del número de llaves (enzimas con la que se
cuente), pero si el número de llaves con las que se cuenta,
es mayor que el número de cerraduras el exceso de llaves
no podrá ser utilizada.
c). La temperatura.- De acuerdo con la teoría de la colisión, los
átomos, moléculas e iones, están en continuo movimiento, lo
que permite el contacto y la colisión de los átomos entre sí,
produciendo reordenamientos electrónicos. Según esto,
mientras mayor sea la velocidad de las partículas mayor
será la posibilidad de que ocurra una colisión.
El calor acelera el movimiento de los iones y moléculas,
aumentando la frecuencia de sus contactos y por lo tanto la
velocidad de la reacción química. Por lo general, cada
aumento de 10ºC casi siempre dobla e inclusive triplica la
velocidad de la mayor parte de las reacciones.
La reacción que existe entre la temperatura y la velocidad
de una reacción se aplica a las reacciones tanto
catalizadoras como no catalizadoras, aunque los sistemas
enzimáticos constituyen un caso especial, pues, el
calentamiento del medio aumenta la velocidad de la
reacción hasta que llega a un puntos, en el cual el calor
169
Biología
empieza a desnaturalizar a la enzima y en consecuencia la
velocidad de la reacción decrece hasta inactivarse. Hasta
los 45ºC aproximadamente, se acelera la reacción y por
encima de los 45ºC aparece el factor de desnaturalización,
que aumenta progresivamente hasta los 55ºC temperatura
en la que se desnaturaliza la enzima por ruptura de los
enlaces débiles haciendo que la molécula enzimática pierda
su conformación y con ello el sitio activo pierde también su
estructura tridimensional específica, dejando de administrar
la entra–da del substrato.
Las enzimas presentan una temperatura óptima que
generalmente se ubica en un rango comprendido entre los
30ºC y 50ºC, sin embargo, existen excepciones como el
caso de las enzimas de las bacterias termófilas, que tienen
una temperatura óptima por encima de los 50ºC.
d). El pH.- Las enzimas por su naturaleza proteica posee
grupos químicos ionizables, que pueden ser alterados por
las variaciones del pH del medio donde se encuentran. Los
cambios en las cargas pueden modificar la estructura
tridimensional del sitio activo, Fenómeno similar que puede
ocurrir con la estructura del substrato, que también puede
ser afectado por las variaciones del pH. Debido a estos
factores, la actividad enzimática es afectada por las
variaciones de pH. Muchas enzimas presentan un pH óptimo
característico, en el cual su actividad es máxima.
Existen sin embargo enzimas que muestran poca o ninguna
sensibilidad a estos cambios, como ocurre en la papaína,
colinesterasa etc. La actividad enzimática máxima suele
observarse cerca del punto 2 isoelectrico de cualquier
enzima dada. Así la tripsina que tiene un punto isoelectrico
entre un pH 7 y 8, presenta su mayor actividad en un pH de
170
Alejandro H. Ramirez
7 a 9. Para enzimas de vegetales y hongos el pH óptimo es
de 4 a 6,5 y para la mayoría de las enzimas de los animales
superiores es de 6,5 a 8. El pH óptimo de la pepsina es de
1,5 a 3.
e). Inhibidores enzimáticos.- La actividad enzimática puede
ser bloqueada por los llamados inhibidores enzimáticos.
Estos inhibidores actúan en dos formas: Inhibidores
competitivos y Inhibidores no competitivos.
-
Inhibidores competitivos.- En este caso, el inhibidor
compite con el substrato para tener acceso al sitio activo
de la enzima, debido a que su estructura química, tiene
gran similitud con la estructura del substrato. La similitud
estructural del inhibidor es con el sitio activo de la
enzima, lo que permite la formación de un complejo
enzima–inhibidor, similar al complejo enzima-substrato.
Esto deja menos enzima disponible, reduciendo la
actividad catalítica de la enzima.
Un complejo de éste tipo de inhibición se observa en la
acción del ácido malónico, que actúa como inhibidor de
la enzima deshidrogenasa succínica. El ácido succínico
compite con el ácido malónico por el sitio activo. En este
caso la acción inhibidora puede ser anulada mediante el
aumento de la concentración del substrato de manera
que las moléculas del substrato exceden en número a
las del inhibidor.
-
Inhibidores no competitivos.- El inhibidor y el
substrato no compiten por un sitio de unión con la
enzima, por lo general el inhibidor actúa en un sitio
diferente al sitio activo de la enzima.
171
Biología
En éste tipo de inhibición, la adición de más substrato
no alivia la inhibición. Algunas enzimas que requieren
iones metálicos para su activación, pueden ser inhibidas
de un modo competitivo por agentes capaces de unirse
al metal esencial. Es el caso del cianuro, que inhibe las
enzimas que dependen del Fe2+ o del Fe3+, mediante la
formación de complejos activos semejantes al
ferrocianuro o al ferricianuro.
Los metales pesador (Ca, Hg, y Ag) o sus derivados son
capaces de inhibir enzimas que tienen en su estructura
grupos
–SH,
estos
metales
se
combinan
reversiblemente con los grupos –SH alterando la forma
tridimensional de la enzima, impidiendo su actividad.
Las enzimas que necesitan Mg2+, son inhibidas por el
EDTA (etileno diaminotetracético de sodio), pues, este
compuesto forma un complejo con cationes divalente y
de éste modo remueve el Mg2+. La inhibición es
reversible por la adición de cationes de Mg2+.
f). Activadores específicos.- Muchas enzimas son proteínas
simples y no requieren de otros factores para desarrollar su
actividad, sin embargo, algunas enzimas se encuentran
como proenzimas o zimógenos inactivos, por ejemplo, el
tripsinógeno, pepsinógeno, etc.
El tripsinógeno se transforma en una enzima activa la
tripsina sólo después que pierda un hexpéptido a partir del
grupo amino terminal.
La papaína, es una enzima proteolítica, si se le encuentra
en una forma oxidada (posee los grupo disulfuro –S–S–), es
inactiva, pero cuando se agrega un reductor fuerte (capaz
172
Alejandro H. Ramirez
de convertir los grupos –S–S– en SH), la papaína se
reactiva totalmente.
En otros casos la activación de una enzima requiere de la
participación de un cofactor. Podemos considerar a los
cofactores de tres grupos: Grupos proteicos, Coenzimas y
Activadores metálicos.
g). Reguladores alostéricos.- Algunas enzimas además del
sitio activo, presentan otro sitio de características
relativamente específicas, por el cual interactúan con otras
moléculas (metabolitos), las cuales modulan (alteran) la
actividad de la enzima. La enzima inhibida se llama enzima
reguladora y el metabolito inhibidor se denomina modulador
o inductor. El substrato de la enzima reguladora es diferente
en estructura del modulador, de modo que el término
“alostérico” (que significa estructura diferente”) se utiliza
para describir la modificación que produce en una reacción
enzimática un compuesto con forma diferente a la del
verdadero substrato. El espacio no catalítico se denomina
“sitio alostérico o regulador” y es tan específico para los
moduladores de enzimas como lo es el sitio activo para los
substratos.
En estas enzimas el inhibidor o modulador (I) inducen un
cambio favorable o desfavorable para la interacción
enzimática según el caso. La regulación, es un tipo de
inhibición no competitiva, puesto que el inhibidor y el
substrato no compiten, y por lo regular tienen una estructura
muy diferente e interactúan con distintas partes de la
enzima. La regulación alostérica ilustra la íntima relación
que existe entre la estructura molecular y su función.
173
Biología
Cambios muy pequeños de la estructura de la enzima
inducidos por un inhibidor o modulador, provocan marcador
cambios en su actividad funcional.
4. NOMENCLATURA Y CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS.
En 1878, Khune sugiere el termino enzima, que procede del
griego zimé = levadura. Sin embargo desde el tiempo de
Berzelius, en 1875, se tenía conocimiento de que las células
vivas producían sustancias con acción muy parecida a los
catalizadores inorgánicos.
La nomenclatura de las enzimas se ha formalizado por un
acuerdo internacional de la Comisión de Enzimas, sin embargo,
permanece el uso general de nombres antiguos, nada
informativo, como pepsina, tripsina, ptialina, cimasa, emulsina,
etc. es la nomenclatura no sistemática, es poco práctica y lleva a
confusiones y fundamentalmente es poco informativa.
Actualmente se designa a las enzimas según el nombre de los
substratos sobre los que actúan, añadiéndoles la terminación
asa. Por ejemplo las que actúan a nivel de proteínas se llaman
proteasa, las que deshidrogenan, deshidrogenasa, las que
fosforilan, fosforilasas, etc., es la nomenclatura y clasificación
sistemática, que es químicamente informativa, descriptiva,
precisa aunque algo compleja.
De acuerdo a la comisión internacional se clasifica en seis
grandes clases:
- Oxidoreductasas.
- Transferasas.
- Hidrolasas.
- Liasas.
- Isomerasas.
- Ligasas.
174
Alejandro H. Ramirez
175
11
Biología
TEMA
LÍPIDOS
176
Alejandro H. Ramirez
177
Biología
LÍPIDOS
Son biomoléculas formadas principalmente por carbono, hidrógeno,
oxígeno, ocasionalmente por fósforo y nitrógeno.
Los lípidos constituyen un grupo de biomoléculas estructuralmente
heterogéneo, pero no característico comunes de solubilidad, es
decir, son poco o nada solubles en agua, pero solubles en los
solventes orgánicos no polares (éter, benceno, cloroformo, alcohol,
etc.). Esta propiedad general de los lípidos, se debe al predominio
de largas cadenas hidrocarbonadas alifáticas o a la presencia de
anillos bencénicos dentro de su estructura molecular.
Entre las funciones importantes de los lípidos podemos señalar:
 Son elementos constitutivos fundamentales de las biomembranas.
 Están almacenados como depósito de grasas sirviendo de reserva
energética, y transporte de combustible metabólico.
 Actúan como agente de protección de las paredes celulares de
muchas bacterias.
 Algunas sustancias dotadas de una intensa actividad biológica
como las vitaminas A, D, E, K y algunas hormonas son de
naturaleza lipídica.
CLASIFICACION.
Los lípidos pueden ser clasificados de distintas maneras: una de
ellas, la más satisfactoria, está basada en su estructura fundamental
de su esqueleto molecular, así tenemos: lípidos complejos y
simples.
LÍPIDOS COMPLEJOS.- Se caracterizan por que contienen ácidos
grasos en su estructura molecular. Llamados también lípidos
saponificables ya que producen jabones (sales de los ácidos grasos)
comprende a los:
178
Alejandro H. Ramirez




Acilglicéridos.
Fosfolípidos.
Esfingolípidos.
Ceras.
LÍPIDOS SIMPLES.- Son insaponificables pues no contienen ácidos
grasos en su estructura molecular. Comprende a los:
 Esteroides.
 Terpenos.
 Prostaglandinas.
A. LÍPIDOS COMPLEJOS
a). ACILGLICERIDOS.
Llamados antiguamente “grasas neutras”, resultan de la
reacción del glicerol, que es un alcohol sencillo con los
ácidos grasos mediante un enlace de tipo éster.
H
H
C
O
O
C
O
H
C
O
C
O
H
C
O
C
H
Según el número de hidroxilos sustituidos del glicerol se
distinguen:
1).
monoacilglicéridos
(escasos),
2).
Diacilgliceridos (más frecuentes) y 3). Triacilglicéridos (los
más abundantes).
Los ácidos grasos esterificados con el glicerol pueden ser
todos del mismo tipo e iguales entre sí, se trata de
acelgliceridos
simples
como
el
triestearilglicerol,
179
Biología
tripalmitilglicerol y el trioleilglicerol, conocidos
nombres comunes de triestearina, tripalmitina y
Cuando en la misma molécula de glicerol
esterificados distintos tipos de ácidos grasos, se
gliceroles mixtos.
con los
trioleina.
quedan
obtienen
Considerados en primer lugar los componentes estructurales
característicos de los lípidos complejos:
 Glicerol.- Es un trialcohol.
CH2  OH

CH
 OH

CH2  OH
 Ácidos grasos.- Son los componentes esenciales de los
lípidos complejos, pero se hallan solamente en pequeñas
cantidades en forma libre (no esterificados) en las células
y los tejidos. Los ácidos grasos, tienen cadena
hidrocarbonada larga no ramificada que se dispone en zigzag, y termina en un extremo en un grupo carboxilo o
cabeza que es polar. La cadena hidrocarbonada puede
estar saturada cuando solo posee enlaces covalentes
simples, o insaturadas y tienen uno o más enlaces
covalentes dobles.
En general los ácidos grasos saturados más comunes de
animales y plantas tienen un número par de átomos de
carbono, con longitudes entre 14 y 22 átomos de carbono,
aunque predominan aquellos con 16 ó 18 carbonos como
el ácido palmítico (C16) y el ácido esteárico (C18).
180
Alejandro H. Ramirez
Los ácidos grasos no saturados, se caracterizan por
presentar dobles enlaces, que varían en número y
posición a lo largo de la cadena hidrocarbonada. Uno de
los ácidos grasos más importantes es el ácido oleico (con
18 carbonos y un doble enlace).
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
O
C
Ác ido graso sa tura do
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Ác ido graso insaturad o
OH
C
O
C
OH
Los ácidos grasos insaturados predominan sobre los
saturados particularmente en las plantas superiores y en
los animales que habitan en lugares a temperaturas
bajas, éstos ácidos grasos tienen puntos de fusión más
bajos que los saturados, por tanto son líquidos a
temperaturas naturales.
Los mamíferos pueden sintetizar ácidos grasos saturados
y monoinsaturados a partir de otros precursores, pero no
producen ácido linoléico ni linolénico, a estos ácidos
grasos, que se requieren en la dieta de los mamíferos, se
les llama ácidos grasos esenciales y tienen que ser
obtenidos a partir de las plantas en donde son muy
abundantes. El ácido linoléico es un precursor necesario
en los mamíferos para la biosíntesis del ácido
aranquindónico.
Se han aislado más de 100 diferentes clases de ácidos
grasos a partir de varios lípidos procedentes de animales,
plantas y microorganismos, que difieren entre ellos por el
181
Biología
largo de sus cadenas, presencia de dobles enlaces o
posición de los dobles enlaces.
Cuando un ácido graso se encuentra en una interfase
agua - aire, se dispone de forma perpendicular a la
superficie del agua, con el grupo carboxilo en contacto con
el agua y la cadena hidrocarbonada sobre la superficie de
ésta.
Las funciones específicas de los ácidos grasos esenciales
en los mamíferos hace un tiempo eran desconocidas, pero
recién se han descubierto que son precursores necesarios
en la biosíntesis de un grupo derivado de los ácidos
grasos llamados prostaglandinas (compuesto de tipo
hormonal) las cuales tienen efectos profundos sobre un
gran número de actividades fisiológicas en los mamíferos.
 Triacilglicéridos.- (antes llamados triglicéridos) Se
forman como producto de la reacción por esterificación de
los tres grupos hidroxilo del glicerol, con tres ácidos
grasos. La reacción se realiza con la pérdida de 3
moléculas de agua.
Los Triacilglicéridos constituyen el grupo más importante
de los lípidos de reserva o depósito de las células
animales y vegetales. Los tres ácidos grasos que forman
un triacilglicérido pueden ser iguales (triacilglicéridos
simples) o diferentes (triacilglicéridos mixtos).
Son importantes, la triestearilglicérido, tripalmitilglicérido y
trioleilglicérido.
182
Alejandro H. Ramirez
HIDRÓLISIS DE LOS TRIACILGLICERIDOS.
La descomposición de una grasa en sus componentes,
ácido graso y glicerol, es un proceso hidrolítico que se
puede efectuar por acción de un álcali o por acción
enzimática (lipasa).
Cuando la descomposición se realiza por acción de un
álcali por ejemplo el NaOH, se forman sales de ácidos
grasos o jabones y el proceso se llama saponificación.
b). FOSFOLÍPIDOS.
Los fosfoglicéridos son derivados de los triacilglicéridos, en
donde los ácidos grasos son sustituidos por un radical
fosfato. El fosfoglicérido más sencillo es el ácido fosfatídico,
que resulta de sustituir en un triacilglicérido el radical
fosfórico por un ácido graso.
H
O
H
C
O
C
H
C
O
C
O
O
H3C
H3C
H3C
+
N
CH2 CH2
O
P
CH2
O
El ácido fosfatídico desde éste punto de vista es poco
importante, sin embargo los derivados nitrogenados como la
cefalina y la lecitina, por estar más difundidos en las células
animales, son de mayor importancia.
 Lecitina.- (fosfatidilcolina), resulta de sustituir un
hidrógeno del radical fosfato de un fosfolípido por el
radical colina, que es un grupo nitrogenado altamente
polar (+). Según la nueva nomenclatura la lecitina debe
183
Biología
llamarse fosfoglicérido de colina, término que todavía no
es de uso corriente.
 Cefalina.- (fosfatidiletanolamina) presenta el radical
etanolamina en reemplazo del radical colina. Según la
nueva nomenclatura, la cefalina debe llamarse
fosfoglicérido de etanolamina.
Las moléculas de lecitina y cefalina, muestran un extremo
polar hidrófilo constituido por los radicales fosfato y colina,
y un extremo hidrófobo, constituido por las cadenas
hidrocarbonadas de los ácidos grasos.
La lecitina y la cefalina son componentes estructurales de
todas las biomembranas (membrana plasmática, retículo
endoplasmático, Golgi, etc.).
c). ESFINGOLÍPIDOS Y GLUCO - LÍPIDOS.
Los Esfingolípidos y los glucolípidos se asemejan a los
fosfolípidos en su estructura anfipática formada por dos
residuos hidrofóbicos en la “cola” y un residuo hidrofílico en
la “cabeza”. Estas dos clases de lípidos son constituyentes
de las membranas biológicas pero su distribución en los
distintos tipos celulares está más restringida que la de los
fosfolípidos.
CH3(CH2)12CH
C
CH
CH
NH
CH
CH2
O
OH
O
O
P
O
CH2
CH2
+
N (CH3)3
-
O
Los Esfingolípidos son lípidos complejos que contienen
esfingenina (antiguamente llamada esfingosina) como
componente fundamental de la molécula, a la cual se halla
esterificado un ácido graso para constituir un cerámido que
es la estructura común de todos los Esfingolípidos.
184
Alejandro H. Ramirez
Los lípidos que contienen cerámidos se pueden clasificar
en:
 Esfingofosfolípidos.- Son análogos estructurales de la
fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina, y reciben por su
localización el nombre genérico de esfingomielinas
(ceramidofosforilcolina o ceramidofosforiletanolamina).
Los Esfingolípidos tienen propiedades físicas y químicas
muy similares a los fosfoglicéridos correspondientes.
 Esfingoglicolípidos.- Son lípidos complejos formados por
un cerámido y un mono u oligosacárido, unido por enlace
glucosídico. El cerámido suele contener un ácido graso de
cadena muy larga, con el ácido lignocérico, nervónico o
cerebrónico.
Los Esfingolípidos se clasifican en: cerebrósidos y
gangliosidos.
- Cerebrósidos.- En la estructura molecular contienen
una molécula de galactosa o glucosa, unida al alcohol
primario del cerámido por un enlace  - glucosídico.
Otras veces contienen oligosacáridos formados por
varias moléculas de hexosas en secuencia lineal.
- Gangliósidos.- Son esfingolípidos que contienen ácido
siálico en su molécula. Se presentan en el cerebro
humano, en condiciones patológicas se acumula en
enormes cantidades originando la enfermedad de TaySachs.
185
Biología
La región hidrofobica está dada por las dos colas del ácido
graso y la esfingenina, mientras que algún tipo de residuo
hidrofílico unido a la esfingenina le aporta una propiedad
polar al lípido. Los Esfingolípidos se encuentran en
membranas vegetales y animales, siendo componentes
especialmente prominentes de las membranas celulares
del cerebro y del tejido nervioso, esfingomielina es el
compuesto más abundante en este grupo.
Los glucolípidos contienen carbohidratos en la región
hidrofílica de la cabeza, habitualmente D-glucosa ó Dgalactosa. Otras clases de glucolípidos tienen como
componentes el glicerol o la esfingenina.
Los cerebrósidos y la Gangliósidos son dos de estas
clases particulares de compuestos, los cuales son
considerados glucolípidos por poseer un componente
carbohidrato o como esfingolípidos a causa de la
presencia de esfingenina. A los Gangliósidos a menudo se
les llama glicoesfingolípidos a causa de su composición
mixta. Los cerebroides tienen un azúcar y una esfingenina
y se encuentran especialmente en la envoltura de mielina
del tejido nervioso. Los Gangliósidos abundan en la
superficie externa de la membrana celular y se
caracterizan por poseer en la región de la cabeza un
grupo oligosacárido polar en vez de un monosacárido
como ocurre con otros glucolípidos.
La esfingomielina es un esfingolípido particular que posee
colina en la región de la cabeza polar y ácido oleico como
una de sus colas no polares. La esfingenina es otra
porción hidrofobica de la molécula que está presente en
todos los Esfingolípidos.
186
Alejandro H. Ramirez
d). CERAS.
Las ceras, al igual que las grasas neutras, son ésteres del
ácido graso asociados con alcoholes monohidroxilos de
cadena larga o con esteroles. Las ceras generalmente son
mucho más duras y más hidrofóbicas que las grasas.
Las ceras tienen una distribución muy amplia y sirven como
capa protectora de la piel, pelaje o plumas en los animales,
o en hojas, flores y frutas de plantas superiores, también
pueden servir de recubrimiento al exoesqueleto de algunos
insectos. En la cabeza de las ballenas se localiza una
mezcla de ceras líquidas conocidas como espermaceti que
para el animal parece tener la función de mediar la
conducción y el ajuste del sonido de alta frecuencia que
utiliza para su comunicación.
En 1960, Benson y colaboradores han dado a conocer la
función energética tan importante que desempeñan las
ceras en mundo animal. En 1967, J. Nevenzel, descubrió la
importancia de las ceras en la cadena trófica o alimenticia
de organismos.
El fitoplancton (comprende algas verdes de varios tipos),
que fabrica carbohidratos, grasas y proteínas por medio de
la fotosíntesis, y sirve de alimento a los copépodos (uno de
los constituyentes de zooplancton), que a su vez convierte
una parte en grasa y otras en ceras. De acuerdo con la
cadena alimenticia, las formas superiores de organismos
marinos se alimentan de copépodos y el descubrimiento de
que éstos son los mayores productores de ceras en la
cadena alimenticia permitió dar cuenta que las ceras son el
principal medio de almacenamiento energético en los
animales marinos. O sea que puede calcularse que a nivel
mundial cuando menos la mitad de todas las sustancias
187
Biología
orgánicas que sintetizan el fitoplancton son convertidas,
aunque sea por algún tiempo en ceras.
B. LÍPIDOS SIMPLES.
Son lípidos que se caracterizan por carecer de ácidos grasos,
por lo que no son saponificables. Aunque aparecen en las
células y en los tejidos en pequeñas cantidades, muchos de
ellos tienen función de vital importancia, por su intensa actividad
biológica.
CLASIFICACIÓN.
a). TERPENOS.
Los terpenos son biomoléculas, que se forman como
derivados de una molécula simple que se repite, la unidad
de isopreno que es una molécula de cinco carbonos
(metilbutadieno). Esta unidad se condensa en forma diversa
para constituir compuestos con olores y sabores
característicos y constituyen los componentes principales de
los aceites esenciales como el limoneno, geraniol, mentol y
el alcanfor. Dentro de los terpenos se incluyen los
carotenos, vitaminas A, E, K, la coenzima Q.
b). ESTEROIDES.
Los esteroides son derivados del compuesto de estructura
policíclica el ciclopentanoperhi-drofenantreno o estrano, el
mismo que está formado por tres anillos bencénicos y un
anillo pirrólico.
Los esteroides se encuentran como constituyentes
estructurales de las biomembranas y también como
hormonas. Atendiendo a sus funciones biológicas se
distinguen tres grupos fundamentales de esteroides:
esteroles, sales biliares y hormonas esteroides.
188
Alejandro H. Ramirez
 Esteroles.- Los esteroles se hallan en las membranas
biológicas modificando su fluidez. Estructuralmente
derivan del colestano, los esteroles más importantes son
el colesterol en el reino animal, y el ergostrol en el vegetal.
Las biomembranas de las células bacterianas carecen de
colesterol.
 Sales biliares.- Son sales sódicas o potásicas de los
ácidosglicocólico y taurocólico. La estructura anfipática de
las moléculas y de las sales biliares le confieren el
carácter de detergente, es decir, su capacidad de
emulsionar grasa.
 Hormonas esteroideas.- Son sustancias esteroideas que
se caracterizan por su función hormonal, es decir, que se
distribuyen por el torrente sanguíneo y ejercen funciones
de regulación metabólica en tejidos específicos. Así
tenemos: Los gestágenos, son hormonas femeninas
implicadas en el ciclo menstrual, los corticoides,
segregado por la corteza suprarrenal, los andrógenos son
las hormonas virilizantes, por ejemplo la testosterona. Los
estrógenos son hormonas femeninas, implicadas en la
primera fase del ciclo menstrual.
c). PROSTAGLANDINAS.
Constituyen un grupo de derivados de los ácidos grasos,
son sintetizados a partir de ácidos grasos esenciales (ácido
linoléico y linolénico) en las células de casi todos los tejidos
de mamíferos, así como de algunos otros animales y
plantas. Las prostaglandinas funcionan con actividad muy
parecida a la hormonal, reciben el nombre por haber sido
aisladas inicialmente a partir del semen humano y porque
son producidas por la glándula prostática.
189
Biología
Las prostaglandinas tienen una marcada actividad a nivel
celular sobre distintas funciones, como contracción,
relajamiento de músculos, regulación de la temperatura
corporal, agregación de las plaquetas sanguíneas y control
de la inflamación y de la permeabilidad vascular.
Las prostaglandinas se sintetizan a nivel de membrana
celular a partir de los ácidos grasos esenciales como el
ácido linolénico y ácido linoléico. Ahora se conoce que las
prostaglandinas se hallan en pequeñas cantidades en casi
todos los tejidos de los mamíferos como en otros animales,
en especial en algunos corales de la región del caribe, como
por ejemplo en Plexaura homomalla.
Actualmente las prostaglandinas son usadas para inducir el
parto y para terminar el embarazo, ya que reducen la secreción
de progesterona que es la hormona necesaria para la
implantación del huevo fertilizado o cigote en el útero.
190
Alejandro H. Ramirez
191
12
Biología
TEMA
VITAMINAS
192
Alejandro H. Ramirez
193
Biología
VITAMINAS
I.
CONSIDERACIONES GENERALES:
A comienzos de este siglo se conocían que los componentes
fundamentales de la dieta eran las proteínas, los hidratos de
carbono, los lípidos, las sales inorgánicas y el agua. Los
análisis químicos de los alimentos demostraban que las
sustancias
mencionadas,
en
conjunto,
constituían
prácticamente el 100 % del total de materia.
Se pensó entonces que si se remplazaban los alimentos
naturales con mezclas compuestas por proteínas, glúcidos,
lípidos y minerales en calidad y cantidad equivalentes al del
alimento, debían obtenerse iguales resultados desde el punto
de vista nutritivo. Sin embargo, los animales sometidos a esas
dietas sintéticas mostraban una serie de trastornos que
llevaban a la muerte.
Estas experiencias indicaban que, además de los compuestos
reconocidos, los alimentos naturales debían contener otros
factores esenciales. A estos compuestos desconocidos se los
llamó factores nutritivos accesorios.
En 1911 Funk aisló uno de estos factores, como el compuesto
poseía amina, le dio el nombre de amina vital o vitamina.
II.
PROPIEDADES GENERALES DE LAS VITAMINAS:
- Son compuestos orgánicos, de estructura química variada,
relativamente simples.
-
Se encuentran en los alimentos
concentraciones muy pequeñas.
194
naturales
en
Alejandro H. Ramirez
III.
-
Son esenciales para mantener la salud y el crecimiento
normal.
-
No pueden ser sintetizados por el organismo, razón por la
cual deben ser provistas por los alimentos.
-
Cuando no son aportados por la dieta o no son absorbidos
en el intestino, se desarrolla en el individuo una carencia
que se traduce por un cuadro patológico específico.
PAPEL FUNCIONAL DE LAS VITAMINAS:
Pese a su carácter de nutrientes naturales, las vitaminas no
desempeñan funciones plásticas ni energéticas.
Muchas de las vitaminas integran sistemas enzimáticos,
actuando como coenzimas o formando parte de la molécula de
coenzimas. Otras cumplen su papel de un modo similar al de
las hormonas, por esto son participantes esenciales de
numerosas vías metabólicas y procesos fisiológicos.
IV.
NOMENCLATURA:
Inicialmente se había reconocido la existencia de por lo menos
dos factores vitamínicos. Uno de ellos era soluble en líquidos y
solventes orgánicos y se lo llamó factor liposoluble A. El otro,
fue denominado factor hidrosoluble B.
Posteriormente se fueron descubriendo otros factores, a los
cuales se les asignó las letras C, D, E, siguiendo el orden
alfabético. En algunos casos, como el de la vitamina K, el
nombre corresponde a la inicial de su función principal
(Koagulation en danés, idioma de su descubridor). El factor B
resultó contener un conjunto de sustancias diferentes, a
medida que se aislaban, se las designaba con su índice
numérico (B1, B2, B12, etc.).
195
Biología
Aunque la designación con letras es todavía usada,
actualmente se aconseja utilizar nombres relacionados con la
estructura química o la función fisiológica.
Generalmente se divide a las vitaminas en dos grupos
principales: liposolubles (solubles en grasas) e hidrosolubles
(solubles en agua)
V.
AVITAMINOSIS:
Recibe este nombre el cuadro patológico producido por
carencia de una o más vitaminas. Para cada vitamina, la
deficiencia determina un cuadro clínico característico.
La avitaminosis puede reconocer distintas causas:
-
Alimentación carente o deficiente.
-
Consumo exclusivo, durante períodos prolongados de
alimentos conservados o cocidos a alta temperatura. La
cocción en contacto con el aire inactiva ciertas vitaminas
(A y C).
-
Absorción deficiente en el intestino. Aún cuando el aporte
vitamínico sea suficiente, la falta de absorción intestinal
lleva a la avitaminosis.
-
Aumento de los requerimientos vitamínicos en
determinadas situaciones como el embarazo, la lactancia,
etapas de crecimiento, procesos febriles, etc.
-
Excesos desequilibrados de la dieta. Por ejemplo la
ingesta
exagerada
de
glúcidos
aumenta
los
requerimientos de vitamina B.
196
Alejandro H. Ramirez
VI.
CLASIFICACIÓN DE LA VITAMINAS
Las vitaminas se clasifican en:
- Vitaminas Liposolubles: Vitaminas: A, D, E y K.
- Vitaminas Hidrosolubles: Vitaminas B y C.
a).
VITAMINA A
Esta vitamina participa en la visión, en el crecimiento, en
el desarrollo de los huesos, en el mantenimiento del
tejido epitelial (piel, pelo, uñas, mucosas respiratorias y
de los ojos, etc.) y en los procesos inmunitarios para
evitar las infecciones.
Por ser la vitamina A componente de los pigmentos
visuales, los encargados de una adecuada visión, una
deficiencia importante de este nutrimento puede
ocasionar desde una ceguera nocturna hasta la pérdida
de la visión.
Decíamos que participa también en el crecimiento y una
deficiencia de este nutrimento puede repercutir en el
crecimiento máximo de los niños que inclusive puede
alterar su desarrollo psicomotor. También se ha
observado que su deficiencia predispone a infecciones
tanto
de
las
vías
respiratorias
como
las
gastrointestinales.
La vitamina A o el retinol se encuentra en productos de
origen animal y los carotenoides en las frutas y
verduras, a continuación se mencionarán las de mayor a
menor cantidad de este nutrimento: hígado, zanahoria,
espinacas, duraznos, leche, brócoli, huevo, queso, pera,
mantequilla, naranja, manzana, etc. Aquí cabe
mencionar que en cuanto a biodisponibilidad es decir
197
Biología
una mejor absorción y utilización de este nutrimento, es
mejor la de los alimentos ricos en retinol que el de los
carotenos.
Ahora bien para que estos alimentos nos aporten la
mayor cantidad de vitamina A, es importante conocer
que el cocimiento leve (al dente) de los carotenoides
precursores de la vitamina A, que se encuentra en las
frutas y las verduras favorece su biodisponibilidad. Pero
un cocimiento excesivo de estos alimentos puede
ocasionar la destrucción de los carotenoides. Esto
mismo pasa con el retinol contenido en el huevo, el
hígado y la leche.
Al freír los alimentos ricos en carotenos y retinol, por ser
solubles en grasa pasan al medio de cocción graso,
perdiéndose la vitamina de los alimentos.
También la deshidratación de alimentos como
zanahorias, brócoli y espinacas reduce la cantidad de
carotenoides, por lo tanto es recomendable consumir
verduras frescas.
b).
LA VITAMINA D.
Esta vitamina da la energía suficiente al intestino para la
absorción de nutrientes como el calcio y las proteínas.
Su deficiencia se agrava porque ocasiona asimismo una
deficiencia de calcio, puesto que su absorción es
deficiente, provocando en los niños raquitismo, una
enfermedad
que
produce
malformación
y
desmineralización de los huesos y en los adultos el
desarrollo de osteoporosis que produce debilitamiento
de los huesos con el consecuente incremento en el
riesgo de fracturas de consideración.
198
Alejandro H. Ramirez
Por lo anteriormente mencionado, la vitamina D juega
un papel muy importante durante el crecimiento y una
deficiencia de este nutrimento puede repercutir en el
crecimiento máximo de los niños. Y como los dientes
también contienen calcio, de verse alterada la absorción
de este nutrimento, no crecerán adecuadamente.
Para cubrir los requerimientos de Vitamina D es
necesaria la conjunción de dos factores: por un lado la
exposición al sol durante 15 minutos diariamente para
permitir que sus precursores se transformen en la
vitamina activa, y el consumo de estos en la dieta diaria,
los cuales los podemos encontrar en vegetales y
diversos productos de origen animal como en la leche,
sardina, hígado, huevo, quesos.
En los países como, Inglaterra, Escocia y principalmente
China, donde los niños que viven en ciudades
industrializadas y su exposición al sol es limitada se ha
observado raquitismo.
Además la contaminación impide que se reciba la luz
adecuada. Se han realizado estudios, donde la gente
que vive en áreas con una alta contaminación
atmosférica, requiere suplementación de vitamina D,
para cubrir sus requerimientos
c).
LA VITAMINA E
Esta vitamina tiene como función principal participar
como antioxidante, es algo así como un escudo
protector de las membranas de las células que hace que
no envejezcan o se deterioren por los radicales libres
que contienen oxígeno y que pueden resultar tóxicas y
cancerígenas. La participación de la vitamina E como
199
Biología
antioxidante es de suma importancia en la prevención
de enfermedades como isquemia cardiaca, toxemia
durante el embarazo, tromboflebitis, fibrosis de seno y
en traumas, donde existe una destrucción de células
importantes.
La deficiencia de la vitamina E puede ser por dos
causas, por no consumir alimento alguno que la
contenga o por mala absorción de las grasas; la
vitamina E por ser una vitamina liposoluble, es decir que
se diluye en grasas, para su absorción en el intestino es
necesario que se encuentren presentes las grasas.
En el caso de que se lleve a cabo una dieta con cero
grasas, es importante consumir diariamente una
cucharadita de aceite, una para cubrir las necesidades
que tiene el organismo de ácidos grasos esenciales y
dos porque de no consumirlo no se podrá absorber ni
utilizar ninguna vitamina liposoluble como la vitamina E.
Por todo lo anterior, se puede decir que la vitamina E, es
la vitamina de la juventud, y el consumo de ella a través
de los alimentos es sumamente importante Para cubrir
los requerimientos de vitamina E, hay que conocer que
se encuentra principalmente en los aceites de germen
de trigo, maíz, soja y girasol, también la podemos
encontrar en los chocolates y en la leche. Se encuentra
también en muchas frutas, leguminosas y verduras.
d).
LA VITAMINA K.
La vitamina K es liposoluble, y participa en diferentes
reacciones en el metabolismo, como coenzima, y
también forma parte de una proteína muy importante
200
Alejandro H. Ramirez
llamada protombina que es la proteína que participa en
la coagulación de la sangre.
Para poder absorber la vitamina K cuando se encuentra
en el intestino, es necesaria la participación de las
grasas; por esto, una dieta con nada de grasa puede ser
más perjudicial que sana. Con consumir por lo menos 1
cucharadita de aceite vegetal cubrimos las necesidades
de ácidos grasos esenciales y también favorece la
absorción de las vitaminas. También existen diversos
alimentos que contienen grasa por muy magros que
sean como diversos productos de origen animal (leche
carne, huevo, ).
La vitamina k, se encuentra en muchas verduras como
en el brócoli, las calabazas, la lechuga; también se
encuentra pero en menor cantidad en otras verduras, en
la fruta, en los cereales, en productos lácteos, en el
huevo y en la carne. Existe otra fuente de vitamina K,
que se produce dentro del organismo, en el intestino se
tiene una flora bacteriana que produce vitamina K la
cual se llama menadiona.
La deficiencia de vitamina K en una persona normal es
muy rara, sólo puede ocurrir por una mala absorción de
grasas o por la destrucción de la flora bacteriana por
una terapia de antibióticos por largo plazo.
En el recién nacido normal hay generalmente deficiencia
de vitamina K, debido a que el intestino de éste es
estéril, no hay síntesis por bacterias durante los
primeros días de vida. Recién al final de la primera
semana alcanza niveles satisfactorios, probablemente
como resultado del comienzo de la síntesis bacteriana
201
Biología
de la vitamina K, ya que el establecimiento de la flora
intestinal comienza inmediatamente después de iniciada
la ingestión de alimentos.
e).
LA VITAMINA C
El consumo adecuado de alimentos ricos en vitamina C
es muy importante porque es parte de las sustancias
que une a las células para formar los tejidos. También
es indispensable para la formación de colágeno,
proteína necesaria para la cicatrización de heridas.
Las necesidades de vitamina C no son iguales para
todos, durante el crecimiento y el embarazo hay
requerimientos aumentados de este nutrimento. Además
cuando hay heridas grandes re requiere un aumento
importante de este nutrimento.
Generalmente donde se puede encontrar la vitamina C
es en frutas, verduras y carnes, principalmente en
alimentos como el mango, la guayaba, en cítricos como
la naranja, toronja y limón, en el chile la piña y la
papaya. También en verduras como el chile, jitomate y
en hortalizas de hoja verde. Ahora bien hay otros
alimentos que la contienen, pero en menor cantidad
como es la leche, la carne y los cereales.
El contenido de vitamina C en las frutas y verduras va
variando dependiendo del grado de madurez, es menor
cuando están verdes, aumenta su cantidad cuando está
en su punto y luego vuelve a disminuir; por lo que la
fruta madura a perdido parte de su contenido de
vitamina C.
202
Alejandro H. Ramirez
Lo más recomendable es comer las frutas y verduras
frescas puesto la acción del calor destruye a la vitamina
C. También hay que mencionar que en contacto con el
aire se oxida y pierde su actividad. La otra forma de
destrucción de la vitamina C, es al tener contacto con
alcohol etílico. Esto se da, por ejemplo, al combinar una
cerveza o tequila con limón.
La persona que lleva a cabo una dieta balanceada
donde incluya cereales como el pan y la tortilla,
leguminosas como el frijol y la lenteja, producto de
origen animal como queso, huevo o carne, fruta,
verdura; sus requerimientos diarios de vitamina C, se
cubren sin ningún problema.
La falta de esta vitamina en la dieta produce una
enfermedad conocida desde épocas muy antiguas. Esta
enfermedad se caracteriza por anemia, dolores y
lesiones articulares y de piel, encías inflamadas y
sangrantes, etc.
Eventualmente pueden presentarse carencias de menor
gravedad como retardos en la cicatrización de heridas,
disminución en la capacidad de combatir infecciones,
etc.
f).
LAS VITAMINAS B.
Son sustancias frágiles, solubles en agua, varias de las
cuales son sobre todo importantes para metabolizar los
hidratos de carbono.
El factor hidrosoluble B, en un principio considerado
como una sola sustancia, demostró contener diferentes
componentes con actividad vitamínica.
203
Biología
Los distintos compuestos se designaron con la letra B y
un subíndice numérico. La tendencia actual es utilizar
los nombres de cada sustancia.
El denominado complejo vitamínico B incluye los
siguientes compuestos: tiamina (B1), riboflavina (B2),
ácido pantoténico (B3), ácido nicotínico (B5), piridoxina
(B6), biotina (B7), ácido fólico y cobalamina (B12).
Los componentes de los complejos se encuentran
generalmente juntos en las fuentes naturales.
-
TIAMINA (B 1)
La tiamina o vitamina B 1, una sustancia cristalina e
incolora, actúa como catalizador en el metabolismo
de los hidratos de carbono, permitiendo metabolizar
el ácido pirúvico y haciendo que los hidratos de
carbono liberen su energía. La tiamina también
participa en la síntesis de sustancias que regulan el
sistema nervioso. La insuficiencia de tiamina
produce beriberi, que se caracteriza por debilidad
muscular, inflamación del corazón y calambres en
las piernas, y, en casos graves, incluso ataque al
corazón y muerte. Muchos alimentos contienen
tiamina, pero pocos la aportan en cantidades
importantes. Los alimentos más ricos en tiamina son
el cerdo, las vísceras (hígado, corazón y riñones),
levadura de cerveza, carnes magras, huevos,
vegetales de hoja verde, cereales enteros o
enriquecidos, germen de trigo, bayas, frutos secos y
legumbres. Al moler los cereales se les quita la
parte del grano más rica en tiamina, de ahí la
probabilidad de que la harina blanca y el arroz
204
Alejandro H. Ramirez
blanco refinado carezcan de esta vitamina. La
práctica, bastante extendida, de enriquecer la harina
y los cereales ha eliminado en parte el riesgo de una
insuficiencia de tiamina, aunque aún se presenta en
alcohólicos que sufren deficiencias en la nutrición.
-
RIBOFLAVINA (B 2).
La riboflavina o vitamina B 2, al igual que la tiamina,
actúa como coenzima, es decir, debe combinarse
con una porción de otra enzima para ser efectiva en
el metabolismo de los hidratos de carbono, grasas y
especialmente en el metabolismo de las proteínas
que participan en el transporte de oxígeno. También
actúa en el mantenimiento de las membranas
mucosas. La insuficiencia de riboflavina puede
complicarse si hay carencia de otras vitaminas del
grupo B. Sus síntomas, no tan definidos como los de
la insuficiencia de tiamina, son lesiones en la piel,
en particular cerca de los labios y la nariz, y
sensibilidad a la luz. Las mejores fuentes de
riboflavina son el hígado, la leche, la carne, verduras
de color verde oscuro, cereales enteros y
enriquecidos, pasta, pan y setas.
-
ÁCIDO PANTOTÉNICO (B 3).
El ácido pantoténico o vitamina B 3, vitamina del
complejo B cuya estructura responde a la amida del
ácido nicotínico o niacina, funciona como coenzima
para liberar la energía de los nutrientes. También se
conoce como vitamina PP. La insuficiencia de
vitamina B3 produce pelagra, cuyo primer síntoma
es una erupción parecida a una quemadura solar
allá donde la piel queda expuesta a la luz del Sol.
Otros síntomas son lengua roja e hinchada, diarrea,
205
Biología
confusión mental, irritabilidad y, cuando se ve
afectado el sistema nervioso central, depresión y
trastornos mentales. Las mejores fuentes de esta
vitamina son: hígado, aves, carne, salmón y atún
enlatado, cereales enteros o enriquecidos, guisantes
(chícharos), granos secos y frutos secos. El cuerpo
también la fabrica a partir del aminoácido triptófano.
Se han utilizado experimentalmente sobredosis de
vitamina B3 en el tratamiento de la esquizofrenia,
aunque ninguna prueba ha demostrado su eficacia.
En grandes cantidades reduce los niveles de
colesterol en la sangre, y ha sido muy utilizada en la
prevención y tratamiento de la arterioesclerosis. Las
grandes dosis en periodos prolongados pueden ser
perjudiciales para el hígado.
-
ÁCIDO NICOTÍNICO (B5).
El ácido nicotínico se presenta como cristales
incoloros en forma de agujas. Es poco soluble en
agua y alcohol e insoluble en solventes orgánicos.
El hígado y las carnes son ricas fuentes naturales
de vitamina B5. También la contienen el huevo, los
granos de cereales enteros y el maní. La mayoría de
los vegetales que integran la dieta habitual son
pobres en esta vitamina, razón por la cual una dieta
vegetariana puede resultar deficiente.
No hay pérdida durante el calentamiento, pero es
importante tener en cuenta que el ácido nicotínico
por ser hidrosoluble pasa al agua de cocción.
206
Alejandro H. Ramirez
-
PIRIDOXINA (B6)
La piridoxina o vitamina B 6 es necesaria para la
absorción y el metabolismo de aminoácidos.
También actúa en la utilización de grasas del cuerpo
y en la formación de glóbulos rojos. La insuficiencia
de piridoxina se caracteriza por alteraciones en la
piel, grietas en la comisura de los labios, lengua
depapilada, convulsiones, mareos, náuseas, anemia
y piedras en el riñón. Las mejores fuentes de
piridoxina son los granos enteros (no los
enriquecidos), cereales, pan, hígado, aguacate,
espinaca, judías verdes (ejotes) y plátano. La
cantidad de piridoxina necesaria es proporcional a la
cantidad de proteína consumida.
-
BIOTINA (B7).
Es también conocida como biotina. Participa en la
formación de ácidos grasos y en la liberación de
energía procedente de los hidratos de carbono.
Está ampliamente distribuida en alimentos de origen
animal y vegetal. El hígado, el riñón, la leche, la
yema de huevo, el tomate, la levadura, etc., son
excelentes fuentes de la vitamina. En el hombre y
en otras especies animales, la biotina es sintetizada
por la flora microbiana intestinal. La magnitud de
esta síntesis es tan importante que representa la
principal fuente de biotina en el ser humano.
Se ignora su insuficiencia en seres humanos.
-
ÁCIDO FÓLICO
El ácido fólico es una coenzima necesaria para la
formación de proteínas estructurales y hemoglobina;
207
Biología
su insuficiencia en los seres humanos es muy rara.
Es efectivo en el tratamiento de ciertas anemias y la
psilosis. Se encuentra en las vísceras de animales,
verduras de hoja verde, legumbres, frutos secos,
granos enteros y levadura de cerveza. Se pierde en
los alimentos conservados a temperatura ambiente
y durante la cocción. A diferencia de otras vitaminas
hidrosolubles, el ácido fólico se almacena en el
hígado y no es necesario ingerirlo diariamente.
-
COBALAMINA (B12).
Al hablar específicamente de la vitamina B12 se le
identifica principalmente como efectiva en el
tratamiento de la anemia perniciosa, en la cual
aparecen los mismos signos clínicos que cuando
existe anemia por deficiencia de hierro, como es la
falta de color en la piel y cansancio.
Esta vitamina es necesaria en cantidades ínfimas
para la formación de nucleoproteínas, proteínas y
glóbulos rojos, y para el funcionamiento del sistema
nervioso.
El organismo humano tiene una reserva muy
importante de vitamina B12 o cobalamina, la cual
está almacenada en el hígado y en riñón. Es por
tanto lógico que a los pacientes con daño en el
hígado o páncreas se les suministre vitamina B12.
Tal es la capacidad de almacenamiento de vitamina
B12 que de no ingerirla a través de los alimentos por
5 o 6 años, apenas se iniciarían a ver signos de
deficiencia. Pero cualquier exceso consumido se
excretará por la orina, al igual que todas las
vitaminas hidrosolubles.
208
Alejandro H. Ramirez
En algunos estudios se ha observado que en niños
amamantados por mujeres vegetarianas tiene un
riesgo importante de deficiencia de vitamina B12 y
eso suena lógico puesto que las fuente principales
de esta vitamina se encuentran en alimentos de
origen animal.
Los requerimientos de vitamina B12 se ven
incrementados durante el crecimiento de los niños,
en el embarazo, en la lactancia y en la ancianidad.
Cabe mencionar que el 70% de este vitamina se
destruye durante la cocción de los alimentos y la
mejor fuente de la misma son el hígado, los riñones,
la leche, el huevo, pescado, queso y carne magra.
209
TEMA
13
Biología
ÁCIDOS NUCLEICOS
210
Alejandro H. Ramirez
211
Biología
ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos, son polímeros de gran tamaño, con elevado
peso molecular, están formados básicamente por Carbono,
Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Fósforo. Son quizás las más
fascinantes de todas las macromoléculas. Los ácidos nucleicos
están presentes en todas las células vivas y también en los virus.
Es estudio de los ácidos nucleicos parte del descubrimiento de la
nucleína por Miescher, en 1869. Este investigador, fue el primero en
demostrar, que los piocitos (núcleo del leucocitos que forman la pus)
presente en los vendajes de individuos heridos durante la guerra
presentaban un material fosforado. Piccard en 1874, obtiene datos
de la presencia de báses púricas (adenina y guanina) en el ácido
nucleico aislado del pez salmón; Kossel, descubre la ribosa en el
ácido nucleico, así como las bases pirimidicas (timina y citosina) en
el ácido nucleico. Levene descubre la desoxirribosa. En 1930, en los
laboratorios del Dr. Levene y London demuestran que la nucleína
poseía un marcado carácter ácido, por lo que la rebautiza como
ácido nucleico. Estas observaciones fueron fundamentales para el
planteamiento de la hipótesis de Watson y Crick, en 1953.
Como se puede apreciar, los ácidos nucleicos están formados por
una base, ya sea de tipo purina o pirimidina, un azúcar (ribosa o
desoxirribosa), y finalmente un radical fósforo.
Los ácidos nucleicos cumplen dos funciones principales:
-
Son los portadores de la información genética, en un código
molecular en el que está escrito en clave, el plano para la
formación del nuevo individuo; esta función esencial la realiza el
ácido desoxirribonucleico o ADN.
212
Alejandro H. Ramirez
-
Contribuyen a poner en acción la transmisión de la información
del mensaje genético. Esta fase activa la lleva acabo el ácido
ribonucleico o ARN.
Los ácidos nucleicos en las células se hallan combinados con las
proteínas, formando las nucleoproteínas. En las células animales y
vegetales superiores, las nucleoproteínas se hallan dentro del
núcleo. El ácido nucleico (ADN) forma pequeños gránulos y
filamentos denominados cromatina, en la célula interfásica; pero
durante la mitosis celular la cromatina se transforma en
cromosomas.
En los organismos del reino Monera, los ácidos nucleicos están
desnudos, es decir no están combinados con proteínas y se hallan
esparcidos por todo el citoplasma celular.
Las células de todos los seres vivos poseen dos ácidos nucleicos,
ADN y ARN; los únicos que escapan de esta condición son los virus
que contienen un solo ácido nucleico, sea ADN o ARN y nunca los
dos juntos.
I.
ESTRUCTURA DE LOS ACIDOS NUCLEICOS.
Los ácidos nucleicos son moléculas de cadena larga o
polímeros lineales, compuestos por unidades denominadas
nucleótidos.
La unidad nucleótida
moleculares:
-
está
compuesta
de
tres
partes
Una pentosa, o azúcar de cinco carbonos, en el caso del
ARN, este azúcar es la ribosa. En el ADN el azúcar pentosa
tiene un átomo de oxígeno menos y, por consiguiente,
recibe el nombre de desoxirribosa.
213
Biología
-
El ácido ortofosfórico (H3PO4), y finalmente está,
-
Una de las cinco bases nitrogenadas heterocíclicas. Las
bases nitrogenadas que integran los nucleótidos pueden ser
púricas o pirimídicas. La unión de una de estas bases con la
pentosa constituye un nucleótido. Finalmente la unión éster
de un nucleótido con un ácido ortofosfórico se conoce como
nucleótido.
La
unidad
nucleotídica,
diagramaticamente asÍ:
puede
representarse
BASE NITROGENADA
AZÚCAR
FOSFATO
Las bases nitrogenadas pertenecen a dos grupos
generalmente de compuestos, las purinas y las pirimidinas.

Bases Púricas.- Son bases nitrogenadas de doble
anillo, por ejemplo la Adenina (A) y la guanina (G).

Bases Pirimídicas.- Son bases nitrogenadas de anillo
sencillo, ejemplo; citosina (C), Timina (T) y el Uracilo
(U).
CH
CH2
O
OH
C H
H C
H C
C
OH
H
OH
214
CH
CH2
OH
O
C H
H
C
C
C
H
OH
H
Alejandro H. Ramirez
NH2
O
O
O
H
O
P
O
C
N
C
O
C
CH
O
CH
O
C
N
CH
N
N
H
N
NH2
C
H
CH
N
C
C
H C
C
N
H
H
C
N
C
C
C
N
C H
OH
N
H
NH2
N
N
H
Los nucleótidos, son esteres fosfóricos de nucleótidos; los
nucleósidos individuales pueden unirse formando enlaces
internucleotídicos de tipo esterfosfato. Estas uniones se
producen con el carbono 3 de la ribosa o desoxirribosa de un
nucleósido y el Carbono 5 de la ribosa o desoxirribosa del
siguiente nucleósido. De este modo, el ácido ortofosfórico
emplea dos de sus tres grupos ácidos. El grupo ácido libre, da
las características ácidas de los ácidos nucleicos y permite la
posibilidad de realizar uniones con proteínas básicas. A partir
del eje azúcar – fosfato, así formado, las bases nitrogenadas
sobresalen en la cadena polinucleótida, tal como aparece en el
siguiente diagrama.
215
C
CH
N
O
N
N
O
C
CH3
Biología
Cualquiera que sean los nucleótidos que tomen parte en la
molécula, el eje azúcar – fosfato es siempre el mismo para cada
uno de los ácidos nucleicos. De tal modo que la principal
variación consiste en la secuencia de las bases nitrogenadas
purina y pirimidina adheridas al eje azúcar – fosfato.
II. CLASIFICACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS.
1. ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN).
El ácido desoxirribonucleico es considerado como la
molécula central de la vida, es el depositario de la
información genética de la célula, ya que contiene las
unidades de la herencia, que se llaman genes.
Esencialmente los genes son un código químico que
especifica el tipo de proteína que un organismo puede
producir y estas proteínas incluyen a las enzimas que
regulan la mayor parte de la actividad celular.
El ADN, se localiza principalmente en el núcleo como
constituyente de los cromosomas, cuando la célula se
encuentra en división y forma parte de la cromatina en la
célula en interfase. También se encuentra en la
mitocondrias y los cloroplastos que son organoides
autoduplicables.
Este tipo de ácido nucleico, se identifica citoquímicamente
en forma específica por medio de la reacción de Feulgen–
Rossen–Berk, el complejo que se forma, de color violeta
intenso, es específico para el ADN.
El ADN como material genético tiene cuatro propiedades:
-
Capacidad de replicación, o de reproducir copias
exactas.
216
Alejandro H. Ramirez
-
Capacidad de sufrir mutación y de transmitirla a
generaciones sucesivas.
-
Capacidad de almacenas información genética donde se
especifican las características de la célula y de los
organismos.
-
Capacidad de transferir la información a las moléculas
que puedan transportar los patrones genéticos a los
sitios de las síntesis de proteínas
La información genética se almacena en forma codificada en la misma
estructura, molecular del ADN y se transfiere por medio de las copias del ARN
mensajero producidas en la transcripción. Luego estos ARN mensajeros
transcriptos guiarán la síntesis de los polipéptidos codificados durante la
traducción en los ribosomas del citoplasma.
217
Biología
ESTRUCTURA DEL ADN.
En 1953, James Watson y Francis Crick publicaron un
modelo de la estructura del ADN. La prueba de la
estructura helicoidal del ADN fue obtenida por Wilkins,
y gracias a ella, Watson y Crick lograron imaginar su
estructura química.
Las primeras conclusiones a las que llegaron Watson
y Crick, luego de estudiar una fotografía del ADN
obtenida por difracción de rayos X, fueron las
siguientes:
OH
O
OH
P
NH2
O
N
N
O
C H
H
C
H C
C
H
OH
C
N
CH
CH2
H
C
OH
218
C
C
N
H
1.1.
Alejandro H. Ramirez
P
S
BASE
S
BASE
S
BASE
P
P
Cada molécula de ADN es bicatenaria o dúplex, está
compuesta por dos cadenas complementarias
aantiparalelas de polinucleótidos que corren en
direcciones opuestas, formando una hélice alrededor
de un eje imaginario central.
Cada base nitrogenada esta dispuesta en un plano
perpendicular al de la cadena de polinucleótidos (eje
de la hélice) como si fueran peldaños de una escalera.
Las dos cadenas se encuentran apareadas por
uniones puentes de hidrógeno establecidas entre el
par de base nitrogenadas.
El apareamiento de las dos cadenas de
polinucleótidos
es
altamente
específica
a
consecuencia de la formación de uniones puente de
219
Biología
hidrógeno entre una base púrica con un base
pirimidina. Así, la pareja (A – T) y (G – C) son las
únicas que se efectúan. En la pareja A y T existen dos
puentes de hidrógeno y en la pareja G y C, se forman
tres puentes de hidrógeno.
La secuencia axial de las bases nitrogenadas a lo
largo de una cadena de polinucleótidos puede variar
considerablemente, pero en la otra cadena la
secuencia debe ser complementaria; como se
evidencia en el ejemplo:
1ra. Cadena
T G C T G T G G T A
2da. Cadena A C G A C A C C A T
220
Alejandro H. Ramirez
De acuerdo a esta propiedad, dado un orden de bases
en una cadena, la otra es exactamente su
complementaria. Durante la duplicación del ADN las
dos cadenas se disocian y cada una sirve como un
molde para la síntesis de las dos moléculas de
polinucleótidos complementarios. De esta manera se
forman dos moléculas de ADN que tienen
exactamente la misma constitución molecular.
La información genética del ADN depende de la
secuencia de las bases nitrogenadas. El hecho de que
cuatro bases nitrogenadas son suficientes para
producir miles de características hereditarias
diferentes se debe a que las moléculas de ADN son
largos polímeros en los cuales puede ocurrir un
enorme número de combinaciones.
2. ACIDO RIBONUCLEICO (ARN).
Los ácidos nucleicos son polímeros formados por unidades
monoméricas
consistentes
en
monofosfatos
de
ribonucleótidos, unidos por enlaces de tipo fosfodiéster.
La presencia de este tipo de ácido nucleico se determina por
medio de la reacción del verde de metilo pironina, con el
cual el ARN se tiñe de color rojo por efecto de la pironina.
Los ARN son los vectores de la información genética, no de
la célula madre a la célula hija como en el caso del ADN,
sino en el seno mismo de la célula. Estas moléculas tienen
como papel el transporte de la información genética desde
los puntos cromosómicos, en donde se forma, hasta los
ribosomas en donde se realiza la síntesis proteica.
221
Biología
Las células en general tienen tres tipos de ARN:
a).
Ácido ribonucleico mensajero o ARNm, tiene una
composición muy cercana a la de una de las dos
bandas del ADN. Metabolitamente es muy activo y se
asocia con los ribosomas formando polirribosomas;
constituye el 5% del total del ARN celular.
b).
Ácido ribonucleico de transferencia o ARNt,
llamado también ARN soluble (ARNs), funciona como
aceptor de los aminoácidos, y es el segundo en
abundancia (15%). Existe cuando menos un ARN,
para cada aminoácido.
c).
Ácido ribonucleico ribosómico o ARNr, es ARN
que forma parte de los ribosomas, tiene un peso
molecular elevado y es, desde el punto de vista
metabólico es muy estable; representa el 80% del total
del ARN celular.
El ácido ribonucleico combinado con proteínas,
encuentra en las células de los organismos de todos
reinos de los seres vivos. En el núcleo existe un décimo
total de ARN celular, los nueve decimos restantes
encuentra en el citoplasma.
se
los
del
se
La estructura del ARN es similar a la del ADN, excepto que
la ribosoma y el uracilo. Reemplazan a la desoxirribosa y la
timina respectivamente.
Otra diferencia en la estructura, es que está constituido por
una sola cadena que a veces puede plegarse sobre si
misma adoptando la forma de un ahorquilla, en donde las
222
Alejandro H. Ramirez
bases se unen por puentes de hidrógeno en forma similar a
lo que ocurre en el ADN.
El ADN, cumple función genética, el ARN tiene funciones
metabólicas. Se sintetiza en el núcleo y se dirige al
citoplasma en donde controla la síntesis de las proteínas.
223
14
Biología
TEMA
CÉLULA
224
Alejandro H. Ramirez
225
Biología
LA CÉLULA
En 1665 un científico inglés, Robert Hooke, publicó sus
observaciones con un microscopio de bajo poder (nueve aumentos).
Entre ellos describe un fino corte de corcho: ".... Claramente se nota
que es totalmente poroso y agujereado como un panal de abejas,
pero los poros no son regulares como en éste...". Así se convirtió en
el primero en ver estas estructuras a las que llamó celdas (en latín
cell) por su parecido con las celdas de un panal de abejas. En los
años siguientes otros descubrieron estas celdas en muchos
animales y plantas.
En 1831, Robert Brown anuncia que estas celdas contenían una
estructura central a la que llamó: núcleo. En 1835, Félix Dujardin
demuestra que no son cavidades huecas sino que están llenas de
un fluido que llamó protoplasma (hoy citoplasma).
En 1838 y 1839 el botánico Matías Schleiden y el zoólogo Theodor
Schwann respectivamente, concluyen que todas las plantas y
animales están hechos de "Cellulas" (diminutivo del latín cell).
En 1855, Rudolf Virchow plantea que toda célula proviene de otra
célula ya existente. En base a todo esto se planteó por primera vez
la Teoría Celular:
-
-
"Todos los seres vivos están compuestos de células o
fragmentos de células, que son sus unidades estructurales y
funcionales.
Todas las células se forman a partir de otras células"
La Teoría Celular Moderna incorpora los hallazgos hechos en este
siglo con el avance de la tecnología y dice:
226
Alejandro H. Ramirez
"La célula es la unidad estructural (anatómica), funcional y de origen
(genética, hereditaria) de todo ser vivo".
CLASIFICACIÓN DE LAS CÉLULAS.
Los cientos de miles de investigaciones hechas acerca de las
células nos han permitido descubrir que existen en muy variadas
formas (alargadas, esféricas, estrelladas, etc.), tamaños
(microscópicas: bacterias, glóbulos rojos; macroscópicas: yema
de huevo de gallina, neurona del calamar)e incluso forma de
alimentarse (autótrofas, heterótrofas y mixtas). A pesar de ello las
hemos podido clasificar en dos grupos: a).- Procariotas y b).Eucariotas
1. PROCARIOTES: (pro = antes de, karyon = núcleo).
Son las que no poseen un núcleo celular delimitado por una
membrana, por ello tienen el ADN disperso en el citoplasma;
carecen de organelos membranosos y citoesqueleto, pero sí
poseen abundantes ribosomas.
Las funciones que normalmente realizan las organelas, en este
tipo de células las realiza en su mayoría la membrana celular y
otras ocurren en el citoplasma.
Pertenecen a este tipo celular los integrantes del reino Monera:
Bacterias y algas azul – verdosas (ciano bacterias).
Se les considera como la línea evolutiva más antigua que se
conoce y de ellas se habrían derivado las células eucariotes.
1.1. ESTRUCTURA: De afuera hacia adentro.
a). Pared Celular.
Que es una cubierta externa protectora. Constituida por
ácido Murámico.
227
Biología
b). Membrana Celular.
Donde se encuentran enzimas necesarias para muchos
procesos del metabolismo celular. Cumple funciones
muy similares a las que cumple en la célula eucariota
como por ejemplo seleccionar lo que entra y sale de la
célula.
c). Citoplasma.
Fluido viscoso mezcla de agua, sales, macromoléculas,
etc., en las que se encuentran los ribosomas y el ADN
libre. En él ocurren miles de procesos entre los que
destaca la síntesis de proteinas y copia de la
información del ADN
2. EUCARIOTAS: (Eu = verdadero, Karyon = núcleo)
Son las que poseen un núcleo celular verdadero, es decir
delimitado por una doble membrana, dentro del cual se
encuentra el ADN. Presentan organelas celulares además de
citoesqueleto.
Pertenecen a este tipo celular el resto de los seres vivos: Reino
Animalia, Reino Plantae, Reino Fungi y Reino Protista.
Se les considera como las células más evolucionadas.
2.1. ESTRUCTURA: De
encontrar:
- Cubierta Celular:
- Membrana Celular
- Citoplasma
- Núcleo.
afuera
228
hacia
adentro
podemos
Alejandro H. Ramirez
A). CUBIERTA CELULAR:
Puede ser de dos tipos:
a).- Pared Celular.
Envoltura que protege a la célula de traumatismos y
del excesivo ingreso de agua. Constituida por
Celulosa, presenta poros y una gran rigidez que la
hace responsable de la forma celular. Está presente
en plantas y hongos.
b).- Glucocalix.
Envoltura importante para el reconocimiento celular
y recepción de señales químicas. Compuesto por
oligosacaridos adheridos a la membrana celular.
Está presente en células animales y protozoarios.
B). MEMBRANA CELULAR:
Estructura que a modo de lámina determina los límites
de la célula. A diferencia de la pared celular, en ella se
realiza una serie de procesos indispensables para la
vida.
a).- Composición:
Está compuesta básicamente por lípidos y proteinas
en proporción variable. La manera en que ellos se
disponen es explicada actualmente por el Modelo
del Mosaico Fluido propuesto en 1972 por Singer y
Nicholson. Ellos descubrieron que las moléculas que
componen la membrana no están fijos unas a otras
sino que se pueden mover en el plano de la
membrana
en cualquier dirección; encontraron
además que la membrana está compuesta por dos
capas de lípidos (bicapa lipídica)en las que se
229
Biología
acomodan las proteinas a modo de mosaicos en su
superficie.
b).- Funciones de la Membrana:
- Separar los medios intra y extracelular
- Transporte de sustancias del interior al exterior de
la célula y viceversa. Para esto cuenta con tres
mecanismos: Difusión, transporte activo y Citosis.
Cadenas de
c arbohidratos
Superfic ie externa
de la membrana
Fosfolípido
Membrana
plasmátic a
Superfic ie interna
de la membrana
Gluc oesfingolípidos
Región
hidrófoba
Regiones
hidrofílic as
Gluc oproteína
Gluc oproteína
C). CITOPLASMA.
Parte de la célula comprendida entre la membrana
celular y el núcleo. Comprende:
a).- Citosol.
Compuesto por agua, proteinas, sales, glúcidos y
otras moléculas en solución. Contiene además una
estructura hecha de proteínas a modo de armazón
llamado citoesqueleto que se encarga de la forma y
movimiento celular.
230
Alejandro H. Ramirez
b).- Organelas Celulares.
Son estructuras constantes que desempeñan
funciones vitales en la célula. Son como los
pequeños "órganos" de las células. Tenemos:
b.1).- Reticulo Endoplasmático.
Estructura membranosa que se organiza
formando tubos, canales y sacos aplanados,
se subdivide en:
- R. E. Rugoso.- Que posee ribosomas
adheridos a su membrana. Participa en la
síntesis de proteinas.
- R. E. Liso.- Que carece de ribosomas,
participa en la síntesis de lípidos y en la
detoxificación celular.
b.2).- Aparato de Golgi.
Conjunto de sacos membranosos aplanados
apilados uno sobre otro. Se encarga de
colectar lo fabricado en el Retículo
endoplasmático lo concentra y combina con
otras sustancias. Para luego distribuirlo dentro
de la célula o hacia el exterior (secreción). De
ésta manera sintetiza los lisosomas.
b.3).- Lisosomas.
Son estructuras membranosas pequeñas y
esféricas que contienen enzimas digestivas.
Se encargan de la digestión intracelular y
extracelular. Destruyen también a las
organelas ya deterioradas (autofagia).
231
Biología
b.4).- Peroxisomas.
Estructuras membranosas que se encargan
de degradar e peroxido de hidrógeno (agua
oxigenada) que es un desecho resultante del
trabajo celular.
Aparato de Golgi
Sacos
aplanados
Lúmen
Vacuolas de Golgi
Mic rovesíc ulas
b.5).- Glioxisoma.
Estructura membranosa presente en los
vegetales, que transforma los lípidos en
glúcidos.
b.6).- Vacuola.
Estructura membranosa
diversas sustancias.
que
almacena
Las dos organelas que vienen a continuación
son también membranosas (hechas de
membrana) pero presentan doble membrana.
232
Alejandro H. Ramirez
b.7).- Mitocondria.
Organela esférica o alargada de grandes
dimensiones que presenta en sus dos
membranas y la matriz las enzimas
necesarias para la Respiración Celular,
proceso por el cual se obtiene energía para el
trabajo celular a partir de las moléculas
nutritivas.
Gránulo intram itocondrial
denso
Membrana
exterior
Membrana
interior
Ribosom as
DNA
Crestas
b.8).- Plastidios o Plastos.
Organelos exclusivos de las plantas y algunos
protozoarios. Son de dos tipos:
-
Leucoplastos.Que
sustancias de reserva.
-
Cromoplastos.Que
contienen
pigmentos y se encuentran en las partes
coloreadas de la planta. Muchos
participan en la fotosíntesis. Destacan los
cloroplastos, rhodoplastos, phaeoplastos.
233
almacenan
Biología
Todas las organelas citadas antes están
constituidas por membrana (bicapa lipídica
con proteinas); los siguientes carecen de ella.
b.9).- Ribosomas.
Son las organelas más numerosas, están
constituidas por ARN y proteinas. Se
encargan de sintetizar las proteinas.
b.10).- Centríolos.
Estructura proteica cilíndrica que dirige la
formación del huso mitótico, de cilios y
flagelos.
b.11).- Cilios y flagelos.
Son estructuras que se proyectan desde la
célula hacia afuera, compuestos por proteinas
se diferencian sólo por su longitud y número:
Cilios (cortos y numerosos), flagelos (largos y
escasos).
Intervienen en el movimiento celular y en el
caso de los cilios además realizan el "barrido"
de las sustancias que sobre ellas se disponen.
c).- Inclusiones.
Son acumulaciones temporales de sustancias
diversas: sustancias de reserva, para secreción
celular, pigmentos; pero a diferencia de las vacuolas
carecen de membrana.
D). NÚCLEO.
Estructura exclusiva de las células eucarióticas; de
forma esférica, contiene el material genético (ADN) y es
234
Alejandro H. Ramirez
aquí donde se le copia. Es el centro de regulación de la
célula, regula las actividades metabólicas y
reproductivas. Durante la división celular detiene esta
función y se desorganiza.
Presenta las siguientes partes:
a).- Membrana Nuclear o Carioteca.
Es doble y presenta poros que permiten la salida e
ingreso de sustancias al núcleo. Se le considera
una continuación del
retículo endoplasmático
rugoso.
b).- Carioplasma o jugo nuclear.
Fluido coloidal que contiene enzimas, nucleótidos,
nucleolos y cromatina.
c).- Nucleolos.
Cuerpos esféricos que sintetizan los ribosomas.
d).- Cromatina.
Formada por proteinas y ADN, cuando se condensa
forma los cromosomas.
235
TEMA
15
Biología
TRANSPOPRTE A TRAVÉS DE LA
MEMBRANA PLASMÁTICA
236
Alejandro H. Ramirez
237
Biología
TRANSPOPRTE A TRAVÉS DE LA
MEMBRANA PLASMÁTICA
I.
DIFUSIÓN.
Es un intercambio continuo de sustancias entre el medio
extracelular y el interior de la célula y se realiza a través de la
membrana plasmática. Este intercambio no requiere de gasto de
energía metabólica o adenosin trifosfato (ATP).
La difusión se puede agrupar en dos tipos: difusión simple y
difusión facilitada.
1. DIFUSIÓN SIMPLE.
Algunos solutos como los gases pueden entrar y salir de la
célula por difusión, a favor de un gradiente electroquímico, a
través de la membrana sin que requiera energía metabólica
(ATP). La velocidad de difusión simple de un soluto a través
de la membrana no estará limitada y será proporcional a la
solubilidad de este soluto en la bicapa lipídica de
membrana. La fluidez de una membrana puede afectar de
modo significativo la difusión de soluto y aun de solventes
como el agua a través de la membrana. El grado de difusión
es inversamente proporcional al número de enlaces puente
de hidrógeno que deben de romperse para que un soluto de
la fase acuosa exterior logre la partición o fraccionamiento
en la bicapa hidrofóbica de los lípidos.
Los electrolitos difunden lentamente a través de las
membranas por la razón anterior y mientras sea la densidad
de su carga eléctrica, menor será el índice de difusión.
238
Alejandro H. Ramirez
2. DIFUCIÓN FACILITADA.
Denominada también favorecida, es una variación de la
difusión ya que este modo de atravesar las membranas no
consume energía metabólica (ATP).
Algunas sustancias específicas difunden en gradientes
electroquímicos a través de las membranas, con mayor
rapidez que otros, de lo que cabría esperar en razón a su
tamaño, carga eléctrica, solubilidad o coeficiente de
partición.
Se dice que la difusión es facilitada o favorecida y
muestra propiedades distintas de aquellos que penetran por
difusión simple. La velocidad de difusión puede saturarse,
debido a que al parecer el número de sitios que intervienen
en la difusión de solutos específicos tienen un límite (es
finito).
Muchos de estos sistemas de difusión facilitada son
estéreoespecíficos y, en consecuencia, los compuestos
isómeros generalmente penetran con velocidades muy
variables. Estas y otras propiedades, sugieren que, en la
difusión favorecida, la sustancia penetrante se combina
con una molécula transportadora o permeasa, localizada
en la membrana plasmática. Cuando todas las permeasas
están ocupadas la velocidad de penetración no puede
aumentar.
La difusión favorecida tiene algunas semejanzas con los
procesos enzimáticos. Por ejemplo, ella es inhibida por los
inhibidores enzimáticos, es afectada por el descenso de
temperatura. La combinación y la separación de la sustancia
penetrante con la molécula transportadora equivalen a la
unión y separación entre una enzima y un sustrato.
239
Biología
Se interpreta que en la difusión facilitada, se realiza una
interacción entre el soluto penetrante y que algunas de las
proteínas periféricas e integrales constituyentes de las
membranas pueden actuar conjuntamente para proporcionar
un sistema de difusión facilitada.
La proteína puede proveer especificidad para su fijación
estereoespecífica del ligando (sustancia penetrante o
soluto), es tanto la proteína integral proporciona el poro
trans-membrana.
II. TRANSPORTE ACTIVO.
Es el flujo o movimiento de las sustancias metabólicas e iones
inorgánicos que requieren energía (ATP) para pasar a través de
la membrana y en contra de un gradiente de concentración.
Las membranas biológicas de acuerdo a la hipótesis del
mosaico fluido están formadas por una capa Biomolecular de
lípidos en las que se intercalan proteínas. Debido a esta
constitución la capa Biomolecular de fosfolípidos es continua e
impermeable para la mayoría de moléculas polares.
Esta propiedad posee una ventaja biológica evita que los
metabolitos internos de la célula, cuya mayoría están en
forma ionizada, pueden difundir (salir) al exterior. Sin embargo,
la célula tiene que incorporar determinados nutrientes polares,
como iones, glucosa, aminoácidos y también expulsar o secretar
varios iones o moléculas polares; esto solamente es posible por
las proteínas que contiene la membrana y que son capaces de
unirse a sustratos específicos de modo reversible, y de
transportarlos a través de la membrana, incluso pueden hacerlo
en contra de un gradiente de concentración. Estas proteínas
pueden actuar como: a).- “Bombas” que concentran
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Alejandro H. Ramirez
preferentemente ciertos iones en el interior celular y expulsar a
otros iones hacia el exterior, b).- canales o poro. c).transportadores específicos de metabolitos por rotación ene l
interior membranoso.
1. BOMBAS.
Un concepto unificador desarrollado en años recientes,
explica el transporte en términos de bombeo. Al respecto, se
considera que el bombeo de iones como el Na+ o el Ca++
hacia fuera de la célula, esta acoplado al transporte hacia el
interior de alguna otra sustancia o iones, como K +,
aminoácidos, glucosa, etc.
El transporte por bombas necesita energía metabólica, que
es proporcionada en forma de Adenosin trifosfato (ATP).
La bomba que más se ha estudiado es la ATP–asa Na+ K+
independiente, o ATP–asa de transporte.
En el mecanismo de transporte, las células mantienen una
concentración baja de Na+ intracelular y una concentración
+
alta de K intracelular, junto con un potencial negativo neto
en el interior. Parte integrante de la bomba que mantiene
estos gradientes es una adenosin trifosfatasa (ATP–asa)
que es activada por el Na+ y el K+. La ATP–asa es una
proteína integral de la membrana que requiere fosfolípidos
para su actividad.
La actividad catalítica de la ATP – asa interactúa tanto con
el ATP como en el Na+ en el lado citoplasmático de la
membrana, pero el sitio de fijación del K+ esta en el lado
exterior de la membrana.
241
Biología
La enzima ATP–asa degrada a las moléculas de ATP en
ADP, con liberación de energía. Cada molécula de ATP
libera suficiente energía para promover el transporte activo
de tres iones de Na+ hacia fuera y dos iones K+ hacia el
interior de la célula. La ouabaina (digital) inhibe a la ATP–
asa, sólo del lado exterior de la membrana, pero es
catalíticamente activa en el lado citoplasmático de la
membrana.
Además, la ATP–asa de transporte desempeña las
siguientes funciones:
- Actúa contra la pérdida de iones a través de los poros o
canales, manteniendo la concentración interna a niveles
relativamente constantes, frente a las fluctuaciones de la
composición del entorno o medio exterior.
-
Mantiene constante las concentraciones óptimas de
electrolitos inorgánicos, en particular del K+ y del Ca++,
que son esenciales para la regulación de importantes
actividades intracelulares.
-
Mantiene las relaciones osmóticas entre las células y el
medio que rodea a las células, conservando en
consecuencia el volumen celular, para impedir así una
presión osmótica interna alta que pudiera conducir a una
turgencia excesiva y al estallido de la célula.
2. CANALES Y POROS.
Las proteínas transportadoras se encuentran sumergidas en
la capa fosfolipídica.
En la actualidad se cree que los poros no son orificios
permanentes en la membrana plasmática, sino rutas de
entrada cuya vida es relativamente corta.
242
Alejandro H. Ramirez
La proteína de la membrana al unirse con su metabolito
(sustancia a transportar) experimenta cambios de
conformación para formar un agujero y un canal en el
espesor de la membrana. La proteína periférica puede
proveer la especificidad para su fijación estereoespecífica
del ligado, en tanto que la proteína integral proporciona el
poro y el canal trans–membrana.
3. POR ROTACIÓN DEL TRANSPORTADOR EN EL
INTERIOR DE LA MEMBRANA.
La proteína transportadora que está fija en la membrana, al
unirse con el metabolito o un ión sufre un cambio de
conformación y a continuación el complejo (proteína–
metabolito) rota a lo ancho del espesor de la membrana,
liberando así el metabolito hacia el otro lado. Una vez que el
metabolito ha sido traslocado (cambiado, trasladado), el
transportador recupera su conformación original, quedando
listo para un nuevo evento de transporte.
III. CITOSIS.
La célula ha desarrollado mecanismos complejos para el
transporte masivo de líquidos y partículas demasiado grandes
para su paso por los poros y conductos de la membrana
plasmática. Las partículas de transporte masivo varían de
tamaño, desde macromoléculas a células enteras. Estas
partículas siempre permanecen separadas del hialoplasma
mediante una unidad de membrana. En forma recíproca, las
vesículas del citoplasma pueden ponerse en contacto con el
plasma y fusionarse y libera su contenido en el medio externo.
La Citosis comprende los fenómenos de endocitosis y
exocitosis.
243
Biología
1. ENDOCITOSIS.
La endocitosis es la captación masiva de partículas o
líquidos a través de la membrana plasmática mediante la
formación de una vacuola. El tamaño de las vacuolas varía
según el tamaño del material que entra en la célula.
La endocitosis, se efectúa por medio de los procesos
denominados: fagocitosis, Pinocitosis, rofeocitosis y
citopempis.
1.1.
FAGOCITOSIS.
(Del griego phagein que significa comer), es la
captación de partículas de material sólido o la
ingestión de células enteras por las células ameboides
y leucocitos.
En los protozoarios la fagocitosis es un proceso de
alimentación, mientras que en los metazoarios
representan un mecanismo de defensa por ejemplo
los macrófagos, engloban y destruyen partículas
inertes y microorganismos invasores.
La fagocitosis se efectúa por la emisión de
pseudópodos que se fusionan entorno de la partículas
(adhesión o adsorción), formándose de este modo una
vacuola o “fagosoma” que penetra en el citoplasma.
El fagosoma se fusiona con uno o más lisosomas
primarios y forma el “heterofagosoma” o vacuola
digestiva en la que se efectúa la digestión de las
partículas ingeridas.
El glucocalix que pasa a ser la capa más interna de la
membrana del fagosoma es digerido por las enzimas
244
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lisosomicas. Simultáneamente se verifica una
modificación en la permeabilidad de la membrana.
La captación de partículas por movimiento de cilios
hacia un embudo o peristoma y una boca o citostoma
se denomina fagotrofia, y la vacuola se denomina
vacuola alimenticia, sin tomar en cuenta que contenga
sólo líquido, o tanto líquido como partículas.
1.2.
PINOCITOSIS.
(Del griego Pínein, que significa beber), es la ingestión
de sustancias líquidas en forma de pequeñas
vesículas al interior de la célula.
Fundamentalmente
consiste
en
proyecciones
(evaginaciones) citoplasmáticas que al retraerse
engloban gotitas de líquido con diámetro de 1 a 2 m,
formándose vesículas llamadas “pinosomas”, las
cuales se profundizan en el citoplasma, volviéndose
cada vez menores, lo que sugiere una transferencia
de líquido al hialoplasma.
1.3.
ROFEOCITOSIS.
(micropinocitosis), es otro proceso de ingestión de
sustancias líquidas por la célula, perceptible
solamente al microscopio electrónico. Consiste
esencialmente en la formación de depresiones
(invaginaciones) en la membrana plasmática que
resultan en la formación de microvesículas con
diámetros de 1 a 10 nm.
1.4.
POTOCITOSIS.
(Del griego Potos que significa bebida), denominado
también citopempis; es una modalidad de la
245
Biología
pinocitosis que consiste en la circulación, traslado o
paso de los pinosomas a través de todo el espesor del
citoplasma de la célula, para ser liberados en el
extremo opuesto de su formación por exocitosis. De
esta forma una solución puede desplazarse desde un
extremo de una capa de células (epitelio) al otro sin
que entre en contacto con el citoplasma.
2. EXOCITOSIS.
Es la liberación de material secretado o excretado mediante
la fusión de las vesículas citoplasmáticas (vacuolas) con la
membrana plasmática para ser expulsadas fuera de la célula
246
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247
Biología
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