Biología aplicada a la Ingeniería de Materiales PDF

Biología aplicada a la Ingeniería de Materiales AUTOR: Manuel Abad Alba ETSI Caminos Canales y Puertos C/ Profesor Aranguren, s.n. E28040-Madrid. España Grado en Ingeniería de materiales...

Biología aplicada a la Ingeniería de Materiales AUTOR: Manuel Abad Alba ETSI Caminos Canales y Puertos C/ Profesor Aranguren, s.n. E28040-Madrid. España Grado en Ingeniería de materiales 1 2 Indice BLOQUE I: CONTEXTO QUÍMICO página 11 Lección 1: Introducción a la asignatura página 13 Lección 2: Fundamentos químicos página 15 Lección 3: El agua. Características e importancia para los seres vivos página 21 Lección 4: Compuestos orgánicos: macromoléculas. Estructura y función página 29 Lección 5: Introducción al metabolismo página 39 BLOQUE II: LA CÉLULA página 47 Lección 6: La célula. Componentes página 49 Lección 7: La célula. Citoesqueleto y pared celular. Conexiones entre células página 61 Lección 8: Estructura y funciones de las membranas celulares página 75 Lección 9: Respiración celular aeróbica y anaeróbica página 85 Lección 10: Fotosíntesis página 93 Lección 11: División y muerte celular página 103 BLOQUE III: GENÉTICA página 115 Lección 12: Introducción a la genética página 117 Lección 13: Bases moleculares página 127 BLOQUE IV: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PLANTAS página 135 Lección 14: Procariotas página 137 Lección 15: Tejidos vegetales página 143 Lección 16: Xilema: estructura y función página 149 Lección 17 Floema: estructura y función página 155 Lección 18: Señales químicas: las hormonas vegetales página 159 3 BLOQUE V: TEJIDOS, ÓRGANOS Y SISTEMAS VERTEBRADOS página 165 Lección 19: Diferenciación celular y tipos de tejidos página 167 Lección 20: Sistemas página 177 Lección 21: Homeostasis página 185 Lección 22: Coordinación: señales químicas e impulsos nerviosos página 193 BLOQUE VI: FUNDAMENTOS DE BIOMECÁNICA página 199 Lección 23: Fundamentos de biomecánica página 201 4 Prologo Tras empezar el estudio de esta ciencia a partir de textos que no fundamenta la aplicación directa de esta asignatura a la ingeniería, no llegaba a alcanzar el interés por ella. Entonces, pensé hasta llegar a hacerme la siguiente pregunta, ¿Por qué no sumergirme en los conocimientos de la biología y extraer las cuestiones más valiosas de esta ciencia que estudia la vida por mí mismo? El objetivo de la escritura de este libro es el de servir a las mentes con sed de cultura, libres de este mundo neoliberalista que impide llegar al conocimiento absoluto de una rama, dado que al tirano y al gobernante no interesa el lucro gratuito que aporta el verdadero aprendizaje. 5 6 Sobre el autor: Este libro ha sido realizado por un estudiante de primer curso de Ingeniería de Materiales, por lo que es totalmente comprensible que los lectores encuentren erratas de tipo en lo referente a incomprensiones. Cualquier tipo de error detectado no duden en comunicarlo a: [email protected] Una contribución de este tipo ayudaría a futuros alumnos y al propio autor en cuestión. 7 8 “El escritor es un ingeniero del alma humana” J. Stalin 9 10 BLOQUE I: CONTEXTO QUIMICO 11 12 Leccion 1: Introduccion a la asignatura 1.-Introduccion La biología es la ciencia que estudia la vida. Los seres vivos son el objetivo de estudio de la biología. La biología es de vital importancia en los ingenieros de materiales, fundamentalmente atendiendo a:  Biomateriales: son utilizados para tratar, corregir o remplazar tejidos, órganos o funciones del cuerpo.  Materiales biológicos: son aquellos que proceden de un ser vivo. Los seres vivos se pueden estudiar a distintos niveles: desde el molecular hasta el ecosistema. Un ejemplo de estudio de la biología en sus distintos niveles es el siguiente: Un ser vivo (árbol), uno de sus órganos (hoja), uno de sus orgánulos (cloroplastos) encargado de realizar la fotosíntesis. 2.-Características de los seres vivos, objeto de estudio de la biología Los seres vivos nacen, crecen, se desarrollan, se reproducen y mueren. El ciclo vital es la serie de cambios que sufren los seres vivos a lo largo de su vida, desde que se inicia con su nacimiento, hasta que finaliza con su muerte. Este ciclo se desarrolla bajo el control de la información genética que poseen todas las células que forman un ser vivo. La célula es la unidad fundamental, estructural y funcional de la que están formados los seres vivos. 13 Los seres vivos son capaces de responder a estímulos del medio. Los estímulos del medio son los siguientes:  Aclimatación: proceso por el cual se producen cambios en un organismo en respuesta a estímulos ambientales. Las respuestas pueden ser elásticas, si desaparecen al cesar la causa que las origino, o plásticas, si no desaparecen al cesar la causa.  Adaptación: procesos por el cual los organismos adquieren un conjunto de características heredables que mejoran la capacidad de supervivencia y reproducción en determinados ambientes.  Evolución: cambios en la composición genética de una población tras sucesivas generaciones. Debido a la evolución se ha originado una gran diversidad, 1.8 millones, de especies diferentes y se continúan descubriendo especies cada año. Esta amplia diversidad necesita un orden, y es aquí cuando aparece la taxonomía. Taxonomía es la rama de la biología que se ocupa de nombrar y clasificar a las especies. Los seres vivos interaccionan con el medio en el que habitan, intercambiando materia y energía. Los seres vivos, por tanto, son capaces de modificar el medio en el que viven. Según un punto de vista termodinámico cada ser vivo puede ser considerado como un sistema biológico abierto ya que para realizas las funciones vitales (nacer, crecer, reproducirse) se requiere un trabajo y para llevarlo a cabo es necesario un aporte de energía que, en primera instancia, viene del Sol. Los seres vivos poseen mecanismos de regulación interna. Estos mecanismos les permiten optimizar el uso de recursos y modular la respuesta a estímulos. Muchos procesos biológicos se autorregulan por un mecanismo de retroalimentación (feedback). La retroalimentación puede ser de dos tipos: Retroalimentación positiva: la acumulación de un producto final estimula la producción. Es quizá menos frecuente pero decisiva en muchos procesos como la coagulación. Retroalimentación negativa: la acumulación de un producto final frena la producción. Los procesos de regulación se apoyan en las actividades enzimáticas, bien inhibiéndolas o estimulándolas. Los seres vivos son estructuras jerarquizadas en las que podemos diferenciar distintos niveles de organización biológica, desde las células y las moléculas que constituyen un organismo hasta los ecosistemas y la biosfera. Podemos estudiar los seres vivos en cada nivel de organización biológica. Al subir de nivel, encontramos lo que podemos denominar como propiedades emergentes, las cuales no estaban presentes en el nivel anterior. Estas propiedades resultan de la distribución e interacciones entre las distintas partes constituyentes del organismo, que tienden a aumentar según subimos de nivel. Estas características hace especialmente difícil imitar un material biológico en el laboratorio. En todos los niveles de estudio se encuentra una relación entre la estructura y la función desempeñada. 14 Leccion 2: Fundamentos químicos 1.-Introduccio n Como dijimos en el tema anterior, la biología es la ciencia que se dedica al estudio de los seres vivos, en esa lección estudiaremos los seres vivos desde el nivel más básico, los fundamentos químicos, es decir, la materia de la que están formados los seres vivos. 2.-Nutrientes esenciales Los organismos vivos están formados por materia, que a su vez es el resultado de agrupar elementos esenciales y sus combinaciones denominadas compuestos. Los elementos son sustancias que no se pueden dividir en otras sustancias por medio de reacciones químicas. Los elementos son clasificados por la tabla periódica de los elementos, listado de los 92 elementos conocidos. De los 92 elementos conocidos en torno a 25 son considerados nutriente esenciales para la vida. Solo 4 de estos elementos (C, H, O, N) constituyen el 96% de toda la materia viva. 2.1.-Nutrición animal (ser humano) Se reconocen 7 macronutrientes esenciales y una larga lista de micronutrientes, que aunque se encuentren en una pequeñísima cantidad son indispensables para el correcto funcionamiento del cuerpo humano. 2.2.-Nutrición vegetal Se reconoces 13 nutrientes minerales esenciales, que se dividen en macronutrientes y micronutrientes. Las plantas son la principal vía de incorporación de elementos minerales a la biosfera, a excepción de la sal. Las plantas obtienen C, H, O del CO2 y del H20. El resto de nutrientes se absorben por la raíz, salvo alguna excepción. 15 Proceso de absorción de nutrientes La absorción de estos elementos es un proceso realmente selectivo, se ha podido comprobar que las plantas modifican su tasa de absorción de nutrientes en función de las necesidades y la abundancia de dichos nutrientes en el suelo. Sin embargo aunque el proceso es muy selectivo, las plantas pueden incorporar a su organismo elementos que no son esenciales o incluso elementos tóxicos. Al aumentar la tasa de disponibilidad de un nutriente en el suelo aumenta la tasa de absorción de dicho nutriente en las raíces, también cuando el nutriente tiene una disponibilidad escasa la tasa de absorción de dicho nutriente aumenta exponencialmente, esto permite a diferente plantas competir por nutrientes escasos. Cuando la disponibilidad de nutrientes en dos suelos distintos es igual, la planta que haya sido cultivada previamente en un suelo más pobre presentara una tasa de absorción mayor de dicho nutriente. Debido a estas características de fijación de las plantas y su margen de absorción de elementos no esenciales, el ser humano ha descubierto una aplicación biotecnológica para algunas plantas llamada la fitorremediación que consiste en la descontaminación de suelos mediante el uso de plantas capaces de acumular metales pesados (plantas hiperacumuladoras) y otros elementos contaminantes del suelo. Fijación del nitrógeno El nitrógeno es el nutriente esencial que las plantas necesitan en mayor cantidad, y a diferencia del resto de nutrientes esenciales, no existe aporte de nitrógeno por descomposición de la roca madre. Por esta razón los árboles caducifolios degradan la clorofila (alta concentración de nitrógeno en ellas) de sus hojas en otoño antes de la caída de estas y retraslocan nutrientes esenciales hasta las ramas y ramillos donde son almacenados hasta la llegada de la floración en la primavera. 16 Las principales fuentes de aporte de nitrógeno a las plantas son las siguientes:  Restos de materia orgánica (animales y plantas). Debido a la descomposición. Es el medio de aporte de nitrógeno a corto plazo.  N2 atmosférico. Debido a la fijación, proceso realizado por una serie de bacterias. Las bacterias capaces de realizar la fijación del nitrógeno atmosférico se encuentran libres en el suelo (no simbiontes) o bien asociadas a las raíces (simbiontes) de algunas plantas formando nódulos que se pueden observar a simple vista. La enzima nitrogenasa es la encargada de catalizar la reacción de fijación de nitrógeno, se desactiva de forma irreversible mediante la presencia de oxígeno, por lo que debe trabajar en condiciones anaeróbicas. Es el medio de aporte de nitrógeno a largo plazo. La carencia de elementos esenciales produce una disminución del crecimiento y la aparición de una sintomatología propia. Por ejemplo: , La falta de hierro produce clorosis, hojas amarillentas, ya que se impide la síntesis de clorofila. , La falta de potasio y fosforo produce necrosis, manchas de tejido muerto en la hoja. El exceso de elementos esenciales también puede ser tóxico para los organismos vivos. 17 Reducción de crecimiento Siempre que la concentración de nutrientes difiera de la óptima el crecimiento será inferior al máximo. Podemos diferenciar dos curvas respecto a la reducción del crecimiento en plantas en función de la concentración de macronutrientes y micronutrientes. En estas curvas encontramos diferentes zonas a destacar:  Contenido óptimo es la zona de máximo crecimiento que se da en la gráfica, es siempre menor para los micronutrientes y muestra una mayor sensibilidad.  Concentración crítica es el punto en el cual al descender o aumentar la concentración del nutriente en la planta desciende el crecimiento que se encontraba en su pico máximo.  Consumo de lujo. Las plantas continúan absorbiendo nutrientes aunque hayan sobrepasado la concentración crítica aunque en este caso el crecimiento no se ve reducido. Es más fácil de apreciar en macronutrientes. Este exceso de nutrientes no es, aparentemente, beneficioso ni perjudicial para la planta. Existen una serie de plantas que se han adaptado para no sufrir toxicidad por el exceso de algunos nutrientes. Algunos ejemplos de estas plantas son:  Las plantas nitrófilas, como la ortiga, sobreviven en suelos con unas concentraciones de nitrógeno letales para otras plantas.  Las plantas halófitas, como la Tamarix gallica, adaptadas a sobrevivir en ambientes salinos letales para otras plantas. 18 3.-Átomos e isotopos Las propiedades de un elemento dependen de la estructura de sus átomos. El número de protones define el elemento. La distribución de electrones en los distintos orbitales indica la energía potencial del átomo en función de la distancia al núcleo. La absorción de energía luminosa puede excitar un electrón hasta un nivel superior de energía potencial. Este es el primer paso de transformación de la energía luminosa en energía química (fotosíntesis). 3.1.-Isótopos Sin embargo, un mismo elemento (con igual número de protones) puede tener diferente número de neutrones, a estos elementos se les denomina isótopos. Los isotopos más interesantes desde un punto de vista biológico son los del carbono:  12 C, es estable y compone el 99% del carbono existente. Es utilizado en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis: el CO2 atmosférico se incorpora a una molécula presente en la planta en una reacción catalizada por la enzima rubisco, es una enzima muy específica, tan especializada que es capaz de discriminar el resto de isotopos del carbono.  13 C, es estable y es discriminado en el proceso de metabolización C3 en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis. Como resultado la proporción de 13C es inferior en tejidos vegetales que en el aire. El 1% de las plantas presentan metabolismo C4 en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis en este proceso se utiliza una enzima que no discrimina frente al 13C.  14 C, es radiactivo, es utilizado en la medicina y para la datación de fósiles de una antigüedad de hasta 75000 años. 3.2.-Átomos Los átomos se unen para formar moléculas; la forma, el tamaño y la distribución de cargas en las moléculas determinan su funcionamiento biológico. Las uniones débiles entre moléculas son de determinante importancia biológica. Estas uniones son explicadas mediante el concepto de la electronegatividad. La electronegatividad es la atracción que ejerce un átomo sobre los electrones compartidos en enlaces covalentes de otro átomo. El oxígeno es un elemento muy electronegativo y el hidrogeno muy poco, por lo tanto la molécula de agua, H2O, tiene una gran polaridad lo que proporciona multitud de aplicaciones biológicas. Entre moléculas de agua se forman enlaces covalentes cuando un átomo de hidrogeno de una molécula de agua es atraído por un átomo de oxigeno de otra molécula de agua esto genera entre las moléculas de agua una elevada tensión superficial que, por ejemplo, permite a algunos insectos caminar por encima de ella. 19 Las fuerzas de Van der Waals resultan de la asimetría en la distribución de cargas generadas por el movimiento de electrones en las moléculas no polares. Las fuerzas de Van der Waals explican la capacidad de la salamanquesa para subir por las paredes verticales. En la pata del animal encontramos cientos de miles de minúsculos pelos que a su vez se ramifican proporcionando un altísimo nivel de puntos de contacto con la posibilidad de atracción de Van der Waals con una superficie. 20 Leccion 3: El agua. Características e importancia para los seres vivos. El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O. Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor. El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. El agua es un elemento común del sistema solar, hecho confirmado en descubrimientos recientes. Puede ser encontrada, principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el material base de los cometas y el vapor que compone sus colas. Desde el punto de vista físico, el agua circula constantemente en un ciclo de evaporación o transpiración (evapotranspiración), precipitación, y desplazamiento hacia el mar. Los vientos transportan tanto vapor de agua como el que se vierte en los mares mediante su curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45.000 km³ al año. En tierra firme, la evaporación y transpiración contribuyen con 74.000 km³ anuales al causar precipitaciones de 119.000 km³ cada año. Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe el 10% restante. El agua es esencial para la mayoría de las formas de vida conocidas por el hombre, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado durante las últimas décadas en la superficie terrestre. Sin embargo estudios de la FAO, estiman que uno de cada cinco países en vías de desarrollo tendrá problemas de escasez de agua antes de 2030; en esos países es vital un menor gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego. 21 1.-El agua es imprescindible para los seres vivos La vida en el planeta Tierra comenzó en el agua, donde evolucionó a lo largo de 3000 millones de años antes que conquistar la tierra. Y todavía sigue siendo indispensable para todos los seres vivos ya que seguimos siendo básicamente agua. Un ejemplo de las propiedades del agua que demuestra su importancia para la vida es el siguiente: Las propiedades de la membrana celular se deben a su particular estructura y su estructura está formada por una bicapa de fosfolípidos en un medio acuoso. Decimos que el agua es imprescindible para la vida porque: , Es el constituyente principal de las células, el porcentaje depende del tipo de célula y de su estado fisiológico, la mayoría de células vivas suelen contener entre un 70% y un 95% de agua salvo algunas excepciones como las células que encontramos en las semillas (5% de agua). , Proporciona al organismo un medio de transporte a cortas y largas distancias. , Participa en el metabolismo celular (conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en un organismo) como sustrato, producto o reactivo. La falta de agua es el principal factor limitante del crecimiento en plantas. El agua es de vital importancia en las plantas porque estas no se pueden desplazar, aunque no debemos olvidar que absolutamente todos los seres vivos necesitamos agua más que ninguna otra sustancia y en calidad y cantidad. 22 2.-Propiedades físicas del agua Las propiedades físicas del agua con especial relevancia biológica son:  Poca compresibilidad, que el agua sea poco compresible posibilita una de sus características de mayor importancia biológica, la turgencia. La turgencia es característica de las células vegetales que están sometidas a presión sobre su pared celular, posibilita el crecimiento celular y es necesaria para la apertura de estomas. La poca compresibilidad del agua tiene gran importancia en el fenómeno de la ósmosis, aunque para poder entender este proceso será necesario explicar la difusión ya que la ósmosis consiste en la difusión del agua a través de una membrana semipermeable, decimos que las membranas biológicas son semipermeables porque muestran permeabilidad diferencial, es decir permiten el paso de determinadas moléculas. La difusión consiste en el movimiento aleatorio de las moléculas debido a la agitación térmica. La difusión se rige por la 1ª Ley de Fick, que establece que el movimiento de una partícula por difusión se realiza desde las zonas de mayor concentración a las zonas de menor concentración. Este movimiento tiene importancia en el agua a nivel celular ya que necesitaríamos enormes tiempos para recorrer largas distancias. El proceso de ósmosis es diferente según se de en células animales o vegetales y según la concentración de los medios que las envuelvan: Célula animal: a) Si la solución acuosa tiene la misma concentración que el interior de la célula (es isotónica respecto a la célula) el agua que entra en la célula es igual a la que sale, flujo neto nulo. b) Si la solución acuosa es menos concentrada que el interior de la célula (es hipotónica respecto a la célula) el agua entra en la célula y esta no es capaz de soportar la presión y se rompe como consecuencia de la entrada de agua. Por esta razón los animales deben de mantener un medio interno isotónico c) Si la solución acuosa es más concentrada que el interior de la célula (es hipertónica respecto a la célula) el agua sale de la célula provocando la muerte por deshidratación, por esto los animales que viven en el medios salinos tienen que mantener mecanismos adaptativos que les permita evitar la deshidratación. 23  Célula vegetal: A) Si la solución acuosa tiene la misma concentración que el interior de la célula (es isotónica respecto a la célula) el agua que entra en la célula es igual a la que sale, flujo neto nulo. B) Si la solución acuosa es menos concentrada que el interior de la célula (es hipotónica respecto a la célula), en el caso de la célula vegetal, al existir una pared celular (que es relativamente rígida) es capaz de soportan la presión que ejerce el agua que intenta entrar debido a la poca compresibilidad de esta. C) Si la solución acuosa es más concentrada que el interior de la célula (es hipertónica respecto a la célula) el agua sale de la célula provocando la muerte por deshidratación, por esto las plantas que viven en terrenos salinos tienen que mantener mecanismo adaptativos para evitar la deshidratación.  Otra propiedad física destacable del agua es que actúa como buen disolvente de iones y sustancias polares por ello participa en el transporte de solutos esenciales por todo el organismo.  El agua tiene un elevado calor específico, es decir se necesita una gran cantidad de energía para incrementar la temperatura de una cantidad determinada de agua, y un alto calor de vaporación, es decir se requiere un gran aporte energético para pasar de estado líquido a estado gaseoso a temperatura y presión constantes. Estas propiedades favorecen la regulación térmica que es de gran importancia en: o La transpiración, proceso por el que los seres vivos ceden vapor de agua a la atmósfera, en el caso de las plantas es de vital importancia debido a que no se pueden mover y además ayuda a enfriar la atmósfera durante el día. o Modificación de climas costeros debido a que el vapor de agua reduce el enfriamiento nocturno. La proximidad al mar y la abundancia de vegetación ayudan a suavizar las temperaturas.  Permanece en estado líquido entre los 0ºC y los 50ªC, rango de temperaturas en las que se llevan a cabo la mayoría de procesos metabólicos.  Es más densa en estado líquido que en estado sólido, lo que permite la supervivencia de algunas especies en el agua que queda por debajo del hielo. 24 3.-Polaridad de la molecula de agua La molécula de agua es polar debido a la distribución desigual de cargar surgida por la diferente electronegatividad de los átomos que la componen, H2O, el oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno muy poco. Los hidrógenos de una moléculas de agua se unen con los oxígenos de otras moléculas de agua, a este tipo de unión se la denomina puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son uniones débiles, que se rompen y vuelven a formar con una enorme facilidad. Por esta razón, en todo momento hay un porcentaje sustancial de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno. Las propiedades físicas de las que hemos hablado se deben en último término a la existencia de puentes de hidrógeno. El agua posee una elevada tensión superficial debida a que el oxígeno es un elemento muy electronegativo y el hidrogeno muy poco, por lo tanto la molécula de agua tiene una gran polaridad lo que proporciona multitud de aplicaciones biológicas. Entre moléculas de agua se forman enlaces covalentes cuando un átomo de hidrogeno de una molécula de agua es atraído por un átomo de oxigeno de otra molécula de agua esto genera entre las moléculas de agua una elevada tensión superficial. La tensión superficial es la energía por unidad de superficie o la fuerza por unidad de longitud que se debe aplicar a un líquido para expandirlo. Depende de la temperatura, composición de la fase líquida/sólida/gaseosa y la presencia de solutos. La tensión superficial del agua permite a determinados insectos caminar sobre su superficie. o Podemos explicar la cohesión como la atracción entre moléculas en estado líquido basada en el establecimiento de puentes de hidrógeno. La cohesión posibilita la tensión superficial. o Se define adhesión como la atracción entre una fase líquida y una fase sólida. Debido a la tensión superficial, el agua tiende a formar gotas sobre las superficies de naturaleza hidrófoba (no polar). Para mejorar el contacto de pesticidas y fertilizantes foliares sobre las hojas de naturaleza hidrófoba se utilizan agentes surfactantes encargados de reducir la tensión superficial. Las hojas de naturaleza hidrófoba tienen multitud de ventajas como:  Menos superficie de contacto  Facilidad de lavado de partículas  Dificulta la germinación de esporas de organismos patógenos. Un ejemplo de planta con hojas de naturaleza hidrófoba es el Loto. 25 4.-Capilaridad del agua La capilaridad consiste en la capacidad que tiene un fluido de subir o bajar por un tubo capilar. La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión entre las moléculas del líquido y la adhesión de este líquido a las paredes del tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la cohesión entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa. La altura de ascenso de un líquido por capilaridad depende del ángulo (α), la densidad del líquido (ρ) y la tensión superficial del líquido (σ). 2π.r.σ.cosα=π.r2.h.ρ.g El agua en un tubo capilar está sometida a una elevada tensión superficial. La cohesión entre las moléculas de agua permiten soportar tensiones relativamente altas y el agua puede permanecer líquida en estado metaestable. No se debe olvidar que el ascenso de la savia que se mueve por los elementos conductores del xilema de los arboles no se realiza por capilaridad ya que poseen un diámetro mayor del necesario para alcanzar un ascenso por capilaridad. 26 5.-Movimiento del agua en sistemas biologicos -El movimiento de la sangre en los animales necesita un aporte energético metabólico ya que es bombeada por el corazón. -Sin embargo, en las plantas, la savia se mueve en el xilema sin gasto de energía metabólica, ya que se realiza a favor de un gradiente de energía libre del agua que es mayor en las raíces y menor en las hojas. El movimiento del agua desde las raíces más profundas hasta lo más alto de la copa supone la realización de un trabajo. El potencial hídrico (Ψ) hace referencia a la energía libre que poseen las moléculas de agua para realizar trabajo. El potencial hídrico cuantifica la tendencia del agua de fluir desde un área hacia otra. Este proceso es debido a la contribución de factores como la ósmosis, gravedad, presión mecánica, o efectos mátricos como la tensión superficial. El potencial hídrico es un concepto generalmente utilizado en fisiología vegetal que permite explicar la circulación del agua en las plantas. El agua se mueve desde regiones con mayor potencial hídrico a regiones con menor potencial hídrico. Al hacerlo el agua cede energía que se aplica en la realización del trabajo que supone el movimiento del agua desde las raíces a la copa. Ejemplo 1: Ascenso de la savia bruta. Transporte pasivo. El ascenso de la savia es un proceso pasivo y es posible porque el potencial hídrico es menor en lo alto de la copa que en la raíz. Este gradiente de potencial es debido a la apertura de los estomas (células especializadas de la epidermis que facilitan el intercambio gaseoso entre el interior de la hoja y la atmósfera) posibilita la entrada de C02 y con ella la fotosíntesis causando la difusión del vapor de agua desde los espacios intercelulares hasta la atmósfera. Esta pérdida de agua en las hojas provoca un descenso en el potencial hídrico (Ψ) de estas ya que aumenta la concentración de solutos. Por lo tanto decimos que la transpiración de las hojas de las plantas crea y mantiene un gradiente de potencial hídrico desde la raíz a la copa. Es ascenso de la savia bruta se realiza por flujo de masa, este movimiento se da en transportes a largas distancias en plantas y animales; y supone el movimiento conjunto de soluto y disolvente. La cohesión del agua permite que este permanezca en estado líquido metaestable como sucedía en los tubos capilares. 27 Ejemplo 2: Ascenso por capilares. Transporte activo. Los capilares son vasos sanguíneos de muy pequeño diámetro con paredes muy finas que permiten el intercambio de sustancias entre la sangre y el flujo intersticial. En la fisiología animal no se utiliza el parámetro de potencial hídrico, pero tiene gran importancia el potencial osmótico, también denominado como presión osmótica. La sangre que llega a las arterias y posteriormente a las arteriolas aquí tiene una cierta presión, la cual se va perdiendo al circular por los capilares. En los extremos próximos a la arteriola la mayor presión sanguínea favorece la entrada y salida de agua y solutos de pequeño diámetro por el flujo de masas a través de pequeñas aberturas entre las células del fino tejido epitelial del capilar. En el extremo del capilar próximo a la vénula el descenso de la presión sanguínea con respecto a la presión osmótica favorece la entrada de agua en el capilar. Se dice que este transporte es activo ya que se necesita un trabajo para realizar este movimiento, el órgano encargado de impulsar la sangre es el corazón. 28 Leccion 4: Compuestos organicos: macromoleculas. Estructura y funcion Las moléculas esencialmente constitutivas de los seres vivos se pueden clasificar en cuatro grandes grupos:  Carbohidratos  Proteínas  Ácidos nucleicos  Lípidos Los carbohidratos, proteínas y los ácidos nucleicos se componen de macromoléculas. 1.-Polímeros y macromoleculas Las macromoléculas que forman los carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos son polímeros, están formados por la unión de monómeros. 1.1.-Síntesis e hidrólisis de un polímero El mecanismo de síntesis es similar en todos los polímeros, este proceso consiste en la unión de un nuevo monómero a la cadena de estos mediante una reacción en la cual se produce un enlace covalente entre monómeros y la pérdida de una molécula de agua. El mecanismo de hidrólisis consiste en la despolimerización del mismo, es el proceso inverso a la síntesis. 1.2.-Monómeros El número de diferentes monómeros que componen a las proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos es relativamente pequeño (inferior a 50 distintos tipos de monómeros), pero variando el número de monómeros empleados, su secuencia y estructura podemos llegar a formar todas las formas de vida existente en nuestro planeta. Los monómeros que constituyen las proteínas se denominas aminoácidos. Los monómeros que constituyen los carbohidratos se denominan monosacáridos. Los monómeros que constituyen los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos. 29 2.-Carbohidratos Los glúcidos o carbohidratos son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Su principal función en los seres vivos es de préstamo inmediato energético, aunque también cumple funciones estructurales. 2.1.-Monosacáridos Los carbohidratos más sencillos son monosacáridos. Los monosacáridos responden a la fórmula (CH20)n, los más abundantes son: Triosas: con 3 carbonos. Ejemplo: aldosas. Pentosas: con 5 carbonos. Ejemplo: ribosa Hexosas: con 6 carbonos. Ejemplo: glucosa. A su vez también los podemos clasificar según el grupo que tengan añadido: Aldosas: si tienen un grupo aldehído. Cetosas: si tienen un grupo cetona. 30 Muchos monosacáridos se pueden diferenciar solo en su distribución espacial aunque presenten la misma fórmula molecular, es decir, son isómeros. Las moléculas que presentan isomería difieren en propiedades físicas, químicas y biológicas. La glucosa y la fructosa tienen la misma fórmula molecular, son hexosas pero difieren en su distribución espacial, ya que la fructosa tiende a adoptar forma de pentágono en vez de hexágono como la glucosa. En una solución acusa la mayoría de carbohidratos tienden a formar anillos. 2.2.-Los disacáridos Los disacáridos son polímeros que se forman por la unión de dos monosacáridos. Como es el ejemplo de la sacarosa; la sacarosa se obtiene mediante la unión de glucosa y fructosa, la sacarosa es el componente principal de la sabia elaborada. 2.3.-Los oligosacáridos Los oligosacáridos son polímeros que se forman por la unión de 3 a 50 monosacáridos. Un ejemplo de oligosacárido es la rafinosa. 2.4.-Polisacáridos Los polisacáridos son polímeros formados por la unión de cientos o miles de monosacáridos. Algunos polisacáridos a destacar son:  El almidón, cumple funciones de almacenamiento energético en plantas. Está formado por la unión de cientos de unidades de glucosa. La molécula de almidón es lineal y tiende a agruparse en microfibrillas.  El glucógeno, cumple funciones de almacenamiento energético en animales.  La celulosa, tiene una función estructural. Está formada por la unión de cientos de unidades de glucosa. Las enzimas que aceleran la hidrolisis de la celulosa solo se encuentran en algunos hongos y organismos eucariotas. La celulosa es la molécula orgánica más abundante en el planeta. Las enzimas que aceleran la hidrólisis del almidón no actúan sobre la celulosa.  La quitina es otra molécula de especial interés biológico. Este carbohidrato compone el exoesqueleto de los artrópodos y la pared celular de los hongos. La quitina posee una alta flexibilidad y elevada rigidez que alcanza por medio de las deposiciones de carbonato cálcico. La quitina se utiliza para fabricar hilo quirúrgico ya que posee una gran propiedad cicatrizante y carácter biodegradable. 31 3.-Lípidos Son sustancias de naturaleza hidrófoba. Los principales lípidos de importancia biológica son:  Las grasas  Los fosfolípidos  Los esteroides Las funciones más características de los lípidos son:  Reserva de energía  Aislante térmico  Protector de órganos vitales contra los golpes 3.1.-Las grasas Las grasas están formadas por la unión de ácidos grasos y glicerol. 32 Podemos clasificar las grasas en dos grupos principales: Grasas saturadas. Son moléculas saturadas de hidrógenos con una estructura compacta, se mantienen sólidas a temperatura ambiente. Los animales tienden a almacenar grasas saturadas. Un ejemplo de grasa saturada es la crema de leche. Grasas insaturadas. Sus moléculas forman dobles uniones entre átomos de carbono del ácido graso, esto le otorga flexibilidad a la molécula, se mantienen líquidas a temperatura ambiente. Las plantas tienden a almacenar grasas insaturadas. Un ejemplo de grasas insaturadas son los aceites vegetales. 33 3.2.-Los fosfolípidos Los fosfolípidos están formados por la unión de dos ácidos grasos, un glicerol y un grupo fosfato que presenta carga negativa. Este tipo de moléculas presentan una parte hidrófila (cabeza: compuesta de un glicerol y el grupo fosfato) y otra parte hidrófoba (la cola: formada por dos ácidos grasos). A este tipo de moléculas se las denomina anfipáticas. Los fosfolípidos son los constituyentes principales de las membranas celulares de animales y plantas. 3.3.-Los esteroides Los esteroides están formados por cuatro anillos interconectados, a los que se unen diferentes grupos. Un ejemplo de esteroide es el colesterol que produce numerosas hormonas animales. 34 4.-Las proteínas Las unidades más sencillas que lo constituyen son los aminoácidos. Las proteínas son moléculas de una importancia biológica vital, más del 50% del peso seco de la mayoría de las células está formado por proteínas. 4.1.-Funciones Entre sus funciones destacamos: 1. Aceleran las reacciones químicas. 2. Constituyen soporte estructural de sustancias, citoesqueleto, matriz extracelular, unión entre células. 3. Participan en el transporte de sustancias. Un ejemplo característico son las proteínas trasportadoras de la membrana celular. 4. Participan en la comunicación celular. 5. Posibilita el movimiento ya que constituyen los músculos. 6. Participan en la defensa del organismo frente a elementos ajenos y dañinos ya que constituyen los anticuerpos. 4.2.-Estructura Las proteínas son polímeros formados por la unión de unos 20 aminoácidos distintos. Las proteínas son las estructuras más complejas. Los aminoácidos de las proteínas se unen mediante uniones peptídicas, que consiste en la unión de un grupo carboxilo de un aminoácido con un grupo amino de otro aminoácido. Este tipo de uniones otorga a las proteínas unas estructuras tridimensionales únicas. Los 20 aminoácidos proteicos más destacados a nivel biológico son: 35 Todas las proteínas se componen de los siguientes niveles estructurales:  Estructura primaria: está definida por la secuencia de aminoácidos y por los distintos radicales que se unen a las proteínas otorgando características determinantes en su estructura final como la polaridad o la carga.  Estructura secundaria: está definida por el establecimiento de puentes de hidrogeno entre los elementos repetidos de la cadena peptídica.  Estructura terciaria: está definida por la interacción de distintos radicales entre aminoácidos. Esta interacción puede darse por: a) Numerosas uniones débiles entre estos radicales (Van der Waals o puentes de hidrógeno). b) Establecimiento de enlaces covalentes entre algunos radicales. (puentes disulfuros).  Estructura cuaternaria: solo la presentan algunas proteínas. Está definida por la agregación de varios polipéptidos. Un ejemplo de estas proteínas es el colágeno. Las estructuras de las proteínas dependen de una serie de características físicas y químicas. La desnaturalización de las proteínas consiste en un cambio en su estructura que impide su funcionamiento normal, esto proceso se puede dar por acción de determinados elementos químicos o por el calor. 36 5.-Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de distintos nucleótidos. Como el nucleosido. 5.1.-Nucleóticos Los nucleótidos se componen básicamente de una pentosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. 5.2.-ADN Y ARN El ADN y el ARN son ácidos nucleicos. Sus funciones básicamente son, almacenar la información que codifica todas las actividades celulares y constituyen la base de la herencia. La estructura del ARN es una cadena simple de nucleótidos. El ADN adopta una estructura tridimensional de doble hélice que se mantiene por los puentes de hidrogeno establecidos entre bases. Los genes son porciones de moléculas de ADN responsables en el organismo de los caracteres hereditarios. Cada gen tiene una secuencia de nucleótidos propia. La prácticamente la totalidad del ADN se encuentra en el núcleo de las células eucariotas. 37 38 Leccion 5: Introduccion al metabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones química que tienen lugar en un organismo. Consiste en la transformación de materia y energía de forma compleja, eficiente, organizada y sensible a variaciones ambientales. Cada vía metabólica que tiene lugar en una célula comienza en una molécula específica. Esta molécula sufre una serie de alteraciones sucesivas en forma de reacciones químicas catalizadas por enzimas específicas. Las vías metabólicas se pueden clasificar en dos tipos:  Vías anabólicas, que consisten en el empleo de energía para sintetizar moléculas complejas.  Vías catabólicas, que consisten en la rotura de moléculas complejas en moléculas más sencillas para obtener energía. 1.-Transformacion de energía. Bioluminiscencia La energía liberada por la respiración celular (vía catabólica) se utiliza para realizar distintos trabajos a diferentes niveles. Por ejemplo, a nivel celular la energía obtenida de la respiración celular es empleada en el transporte de solutos a través de la membrana o dentro de la célula mediante proteínas transportadoras; a nivel de organismo la energía obtenida de la respiración celular se puede emplear para desplazarse, en el caso de los animales, o para mantener su temperatura corporal entre otras cosas. Un caso particular de la utilización de la energía obtenida en la respiración celular es el de la bioluminiscencia. La bioluminiscencia consiste en la emisión de luz por un organismo. Es el resultado de una reacción química en la que la conversión de energía química en energía luminosa es eficiente casi al 100%, es decir existe una mínima disipación de calor. Por lo tanto la bioluminiscencia se puede definir también como la emisión de luz fría, a diferencia de la luz que emiten los cuerpos incandescentes. La emisión de luz en los seres vivos puede aportarles significantes mecanismo de supervivencia, como el curioso caso de los hongos bioluminiscentes que atraen a los insectos y de esta manera ayuda a la dispersión de sus esporas. 39 2.-Bases termodinamicas de los procesos de transformacion de energía a nivel celular Podemos considerar a los seres vivos, desde un punto de vista termodinámico, como elementos transformadores de energía. Cada célula de un organismo funciona como una “fábrica en miniatura”, capaz de liberar energía mediante procesos catabólicos. La principal vía catabólica del metabolismo celular es la respiración: C2H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O + energía El flujo de materia y energía en los seres vivos se rige por las leyes de la termodinámica:  La energía libre de Gibbs (G) es la parte de energía de un sistema, en este caso biológico, que se puede utilizar para realizar un trabajo. ΔG= ΔGfinal–ΔGinicial Los cambios espontáneos en un sistema se producen solamente cuando la energía libre de Gibbs final es menor que la energía libre de Gibbs inicial decimos que este tipo de proceso es exergónico. Consideramos un proceso exergónico cuando: ΔG= ΔGfinal–ΔGinicial 0  Entropía (S) se entiende como el grado de desorden de un sistema. Todo sistema biológico (vivo) tiende al desorden, es decir aumenta su entropía. ΔG0  Entalpía (H) simboliza la energía almacenada por un sistema. Todo sistema biológico tiene al no equilibrio, es decir a la disminución de la entalpía. ΔG