Biología - Resumen de la Investigación y Origen de la Vida PDF

BIOLOGÍA SEMANA 01 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN, ORIGEN, EVOLUCIÓN, CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS Los seres vivos tienen una estructura material orgánica muy compleja y son capaces de nutrirse, relacionarse y reproducirse, es decir, realizan las tres funciones vitales, que caracterizan a un ser que tiene vida. La ciencia que estudia a los seres vivos es la biología; lo hace desde los puntos de vista, desde lo molecular hasta el ecosistema; también, así como, a nivel estructural (morfología) y funcional (fisiología). La biología es una ciencia fáctica porque depende de la observación de hechos en la naturaleza y es provisoria porque las nuevas investigaciones pueden presentar elementos para su refutación. Por tanto, es el camino para la investigación científica y; así, llegar a la verdad relativa, permitiendo al biólogo dar sus aportes a la sociedad. 1. Metodología de la investigación científica. 1.1 Concepto. - Es la disciplina del conocimiento que se encarga de elaborar, definir y sistematizar el conjunto de técnicas, métodos y procedimientos que se deben seguir durante el desarrollo de un proceso de investigación para la producción de conocimiento. - Orienta de qué manera vamos a enfocar una investigación y la forma en que vamos a recolectar, analizar y clasificar los datos, con el objetivo de que nuestros resultados tengan validez y pertinencia, y cumplan con los estándares de exigencia científica. 1.2 Metodología. Es la parte instrumental de la Investigación Científica, y es específica en la práctica de cada ciencia y se relaciona de manera directa con el método y el objeto de estudio. 1.3 Propósito de la Investigación científica. Es el siguiente: * Descifrar incógnitas de la naturaleza, la sociedad y el ser humano; * Prever problemas y plantearlos; * Buscar solución/es a problemas que existen; * Satisfacer la necesidad de conocer, de saber, y; * Encontrar mejores soluciones para el bienestar de la humanidad. 1 BIOLOGÍA 1.4 Método científico. Los pasos del método científico son: La observación; la pregunta/el interrogante; el planteamiento de la hipótesis; la experimentación; la interpretación/o conclusiones y la teoría. A nivel de la experimentación se utiliza el grupo control (por ejemplo, la carne putrefacta colocada sobre recipientes sin tapa) y el grupo experimento (por ejemplo, la carne putrefacta colocada en recipientes con tapa de algodón), para contrastar la hipótesis. Fig. 1.1. El método científico 1.5 Importancia de la investigación científica. La importancia de esta investigación radica esencialmente en que permite que:  Debido a éste proceso, actividad humana productiva, logra acumular incontables conocimientos que integra la ciencia contemporánea organizada como información científica.  Ha puesto la naturaleza a su servicio del hombre; a fin de que él, transforme en función de hacer del mundo un medio, cada vez más beneficioso para la vida en el planeta.  Siempre la ciencia y la tecnología se han puesto al servicio del bienestar o destrucción del ser humano, por cuanto se han creado conocimientos, métodos y medios, como ocurre con las armas para la guerra de exterminio masivo. 2 BIOLOGÍA 2. TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA: 2.1 Teoría Creacionista Sostiene como verdad absoluta, que el origen de la vida, es voluntad de un ser supremo, un creador, Dios. A nivel cultural, en nuestro país, los incas atribuían su origen a un Dios ordenador, el Apukontiqui Wiracocha. Está teoría idealista lo forjó Platón (427-347 a.C), mediante el creacionismo fijista. El creacionismo científico, explica los hechos bíblicos refutando las teorías científicas haciendo uso de la matemática, estadísica, genética, biología, etc. Así, de la corriente monofilitista propuesta por Platón, se generó la corriente polifiletistas, liderada por Aristóteles (384 – 322 a.C), que sostuvo la creación de varias especies tipo, que originan a otros seres vivos y Agassiz (sueco, 1846), propuso el progresionismo: “Después de cada castastrofe geológica había una nueva creación de especies”. Asimismo, Georges Leclerc, conde de Buffon (francés, 1707 – 1788); sostuvo, el ambiente moldea a los organismos y los cambios se heredan. 2.2 Teoría Abiogenésica – “generación espontánea”-. Esta teoría propuesta por Aristóteles por (384-322 a.C), fue aceptada por el mundo científico durante más de 2 000 años. Sostuvo que los seres vivos surjen de la materia inerte; del fango y el suelo surge ánguilas; de la carne putrefacta salen gusanos y moscas, etc. Propuso que la entelequia se relaciona con el principio activo: El Alma e Incluso llegaron a proponer “recetas” para obtener seres vivos; así, J. B. Helmont (1557-1644) afirmó: se puede conseguir ratones sólo envolver granos de trigo en una camisa sucia con sudor y se esperar 21 días. Fig. 2.1. El experimento de Van Helmont 3 BIOLOGÍA El primer científico que refutó a esta teoría fue Francesco Redi, él en 1665, demostró que era errónea la generación espontánea. Más tarde, A. Leeuwenhoek (1660), inventor del microscopio simple, comunicó que había visto organismos microscópicos vivos en el agua de lluvia que había recogido en el tejado de su casa. Esto motivó que algunos defensores de esta teoría, sostenjan que los microorganismos se originan por generación espontánea. Al respecto, en 1745, J. Needham, introduce tejidos vegetales y animales en frascos herméticos y los calentó, después observó la aparición de microorganismos, lo que le permitió defender su teoría que sostenía; asimismo, la falta de fundamentos de los resultados de Spallanzani (1765), ésta teoría tuvo un revivir con la publicación de Félix Pouchet (francés, opositor de Pasteur) en favor de esta teoría, Otros defensores de Helmont, Needham y Pouchet, tenemos a Newton, Bacon, Harvey, San Agustín, Santo Tomás de Aquino, Descártes, etc. 2.3 Teoría Biogenética. Teoría propuesta por F. Redi (médico, italiano), en 1665 aplicó el método científico al realizar el experimento de las moscas, demostrando el fundamento de su teoría “que todo ser vivo viene de otro preexistente”. Fg. 2.2. Experimento realizado por F. Redi Observó que los gusanos aparecían en procesos de putrefacción si las moscas se habían puesto varios días antes. Esto le permitió elaborar la hipótesis que “los gusanos procedían de moscas que ponían huevos en la carne pódrida”. Para comprobar la certeza de su hipótesis va a hacer los experimentos siguientes en 1668: Experimento 1: Colocó restos de seres vivos en diversos recipientes sin tapa. Experimento 2: Colocó algunos recipientes con tapa de trozos de gasa que permitía entrar el aire fresco, pero no las moscas. Los resultados fueron que en el primero aparecieron gusanos y moscas y el los tapados no aparecían gusanos ni moscas. Por lo tanto, concluyó que los gusanos procedían de las moscas y no por generación espontánea. Esto permitió establecer la teoría siguiente: “Los gusanos de la carne no se originan espontáneamente de la materia muerta, sino que se forman a partir de moscas que han puesto sus huevos en la carne”. 4 BIOLOGÍA Años después, en 1765, L Spallanzani (1729-1895) repitió el experimento de Needham y demostró que, si se impedía la entrada del aire a los frascos herméticos, no aparecían microbios. Pero, la controversia entre defensores y detractores de la generación espontánea seguía abierta. En 1864, el microbiólogo fránces Louis Pasteur (1822-1895) hizó un experimento similar al que efectuó Redi dos siglos antes para demostrar que la teoría de la generación espontánea de la vida era falsa. Pasteur explicó que los microbios y las esporas de hongos que contenía el aire se depositaban constantemente sobre los objetos eran los cuales eran los causantes de la descomposición de los cadáveres de los organismos. Fig. 2.3 Experimentó de Pasteur 1) Pasteur introdujó un caldo de cultivo en un matraz, recipiente de cuello largo y estrecho. 2) Calentó el cuello del matraz fino hasta curvárselo en forma de cuello de cisne, y dejó el extremo abierto. 3) Hirvió el contenido del matraz para matar cualquier forma de vida. 4) Dejó enfriar el caldo. Entró aire, pero no los microorganismos. Si el matraz se mantenía vertical, no se producía contaminación del caldo, incluso después de mucho tiempo, por el hecho de que los microorganismos no podían ascender por el cuello del recipiente. Pero si se inclinaba hasta poner en contacto el caldo con la apertura del cuello (llena de microbios) se producía la contaminación microbiana del caldo. Por tanto, la ausencia de vida en el recipiente vertical no era por la destrucción del principio vital debido al calentamiento del caldo, sino que impedía su contaminación y demostró rotundamente la falsedad de la teoría Abiogenesica. 5 BIOLOGÍA 2.4. Teoría Cosmozoica La Exobiología postula el surgimiento de la vida en otros planetas, es por eso, que a la teoría cosmozoica se le considera Teoría Exógena. Esta Teoría Cosmozoica fue propuesta por el biólogo alemán Hermann Ritcher en 1865; lo apoyaron Liebig y Von Helmholtz (1879). Sostuvieron que que la vida surge en otros planetas o Galaxias y fueron esporas o gérmenes durmientes de otro Sistema Solar que viajaron a la Tierra dentro de meteoritos soportando altas temperaturas y encontraron condiciones favorables para su desarrollo y multiplicación, es por eso, que se le conococía como la Teoría de la Litopanspermia. Recibió el apoyo de Crick (1972), Wikramasinghe (físico inglés, 1977), etc. Svange Arrhenius (sueco,1903) y Hoyle (inglés) fundamentaron que la vida se transmite de un planeta a otro por esporas lanzadas al espacio, por presión de la luz o de la radiación –La vida no se origina en la Tierra y es eterna en el Universo. Por tal razón, se le denomina T. Radiopanspermia. Bacquerel criticó y retífico a esta teoría, expresando: “La vida no se origna en la Tierra. La vida es eterna en el Universo”. 2.5 Teoría Quimiosintética. El bioquímico ruso Alexander Oparin (1924) ya familiarizado con la teoría de la evolución de Charles Darwin y el inglés Johon Haldane (1928) sostienen: La vida se origina por evolución de la materia inerte en condiciones diferentes a la actual; y, los requerimientos básicos eran: Tiempo en millones de años; Ausencia de oxígeno molecular libre en una atmósfera reductora; Alta energía, como descargas eléctricas, radiaciones U.V. y temperatura elevada y los Bloques de construcción, como: sustancias químicas en altas concentraciones: de hidrógeno (H2), agua/vapor de agua (H2O), amoníaco (NH3), metano (CH4), sulfuro de hidrógeno (H2S), nitrógeno (N2), ácido cianhídrico (HCN) y CO2 (dióxido de carbono, propuesto por Haldane). De estos requerimientos se obtuvo pequeñas biomoléculas orgánicas: urea, aminoácidos, ácidos grasos, monosacáridos, bases nitrogenadas etc. de estos monómeros posteriormente se formó lípidos, proteínas, polisacáridos, nucleótidos, etc., luego, se formo los coacervados: gotitas coloidales, sin membrana e incorporan sustancias de su entorno, realizan reacciones químicas. etc. Estas estructuras se ubicaban a orillas de las playas en lugares de retención: “mar de sopa orgánica o sopa primogenia”. De los coacervados, proteinoides, sulfobios, colpoides, etc. se formaron estructuras protobiontes (con membrana, capaces de intercambiar moléculas con su entorno no utilizaban su ADN). De ellas, surgieron los 6 BIOLOGÍA Eubiontes (primeras moléculas de ARN que tenían activades biológicas; de ellos se formó los procariontes (anaerobios y heterótrofos) y luego, los eucariontes (aerobios y autótrofos/heterótrofos). Esta teoría, explica como se pasó de la materia inorgánica a la orgánica, pero no de la prebiótica a la biótica, porque no el origen de las enzimas en coacervados ni como evolucionaron, por carecer de información genética. En 1952 (1953), Stanley Miller, quién fue discípulo de promio Nobel Harold Urey (Universidad de Columbia, EE.UU.), confirmó experimentalmente la teoría de Oparin. Simulando en el laboratorio la evolución prebiótica. Para ello, introdujó en un matraz esférico los gases que constituían la atmósfera primitiva (CH4, NH3, H2 y vapor de agua) y los sometió a descargas eléctricas que simulaban las tempestades eléctricas. Mantuvó el recipiente a una temperatura próxima a la ebullición del agua. Al obtener los “melanoides” como: bases nitrogenadas, glúcidos, lípidos, animoácidos y bases nitrogenadas. Investigadores que apoyan la teoría de Oparin, fueron: Johon Bernal, Sidney Fox, Juan Oró, Alfonso L. Herrera,y Fig. 2.4. Experimento de Miller y Urey Cyril Ponanperuna. En 1949, John Bernal, científico irlandés, sugiere que debido a la baja concentración de estos compuestos orgánicos, era imposible la formación de medios densos; y, que la presencia de arcilla, en pequeños charcos es un medio ideal para la formación de estos compuestos prebióticos. Sidney Fox, (norteamericano). En 1958, obtuvo polímeros de aminoácidos denominados microesférulas y a su unión protenoides, capaces de dividirse y captar energía del medio externo. Estas estructuras se formaron en las primeras fases de la evolución protobiológica. El científico español, Joan Oró, en 1959, consiguió sintetizar bases nitrogenadas y Cyril Ponnanperuma (EUA), obtuvo adenina, guanina y urea a partir de ácido cianhídrico sometido a radiación ultravioleta. 7 BIOLOGÍA Alfonso Herrera, biólogo mexicano. Empleó formaldehído y tiocianato de amonio y obtuvo microestructuras coloidales, llamándolos sulfobios, semejante a células; y, al mezclar aceite de oliva, gasolina e hidróxido de sodio, obtuvo los colpoides, de organización simulaba a los protozoarios. Propuso a la plasmogenia como ciencia que se encargaría de reconstruir el proceso físico-químico mediante el cual se originó la vida en la Tierra. Primera célula procariota. Hace 4 300 millones de años se encontraron rocas (en Australia) con fósiles de bacterias que probablemente tenían un metabolismo heterótrofo anaerobio fermentativo. La primera célula eucariota. Hace 1 500 millones de años en Australia, se encontraron los primeros fósiles de eucariotas unicelulares. Sobre el origen de la primera célula eucariota hay dos hipótesis: la hipótesis autógena de Taylor y Dobson, y la endosimbiótica en serie de Lynn Margullis. Finalmente, aparecieron los primeros eucariotas pluricelulares. 3. TEORÍAS SOBRE LA EVOLUCIÓN 3.1 El Lamarckismo y los caracteres adquiridos El naturalista francés Jean Baptiste Lamarck (1744-1829) publico en 1809 la obra Filosofía Zoológica, en el que expuso su hipótesis sobre la transformación gradual de las especies a lo largo del tiempo, conocida actualmente como lamarckismo, que constituye la primera teoría de la evolución. La explicación de la causa del cuello largo de las jirafas es un ejemplo clásico de la teoría de Lamarck. Según esta hipótesis, el antecesor de la jirafa hizo muchos esfuerzos a lo largo de la vida para llegar a las hojas de las ramas altas de los árboles, y esto provocó que el cuello se le alargara. Sus descendientes heredaron este carácter y, a su vez, lo desarrollaron. Síntesis de la teoría de Lamarck Tendencia a la El sentido de la transformación evolutiva va de las especies naturalidad más sencillas, formadas por generación espontánea, a las más complejas Desarrollo de Las variaciones de las condiciones del medio ambiente adaptaciones al (necesidad por el alimento) provocan cambios en las medio: “la funciones vitales de los seres vivos, lo que conlleva que unos función crea al órganos se desarrollen y otros se atrofien (ley del uso y órgano” desuso de sus partes). Es decir, las variaciones ambientales son la causa de las adaptaciones de los organismos. Herencia de los Las modificaciones adquiridas por los organismos a lo largo caracteres de la vida durante el proceso de adaptación al medio, se adquiridos transmiten a sus descendientes. 8 BIOLOGÍA Por tanto: Esta teoría, no explicó como se transmiten los caracteres adquiridos a los descendientes. Los defensores de esta teoría fueron: Haeckel, Spencer y Butler. 3.2 El Darwinismo y la selección natural El naturalista inglés Charles Darwin (1809-1882) participo entre los años 1831 y 1836 de una expedición científica que dio la vuelta al mundo. Durante este tiempo, Darwin hizó múltiples observaciones que le van a servir de fundamento para desarrollar su teoría sobre la evolución de las especies. Asimismo, se vió influenciado por las ideas de R. Malthus (crecimiento poblacional) y de Charles Lyell (uniformismo). Décadas después, en 1859, Darwin publico la obra titulada “el origen de las especies”, presentando sus conclusiones sobre la transformación de las especies. Lo hizo cuando supo que otro naturalista Alfred Russell Wallace (1823-1913), había llegado a la misma hipótesis. El archipiélago de los Galápagos, situado en el océano Pacífico, Darwin, observó que, aunque las islas no estaban muy alejadas unas de otras, había especies diferentes, tanto de pinzones como de tortugas terrestres, cuya biodiversidad era debida a la alta reproducción entre las poblaciones de las diferentes islas y sus adaptaciones a las condiciones ambientales. Síntesis de la teoría de Darwin Capacidad Los recursos alimenticios son limitados en comparación al reproductiva crecimiento poblacional de las especies (R. Malthus). elevada Variabilidad Los descendientes de los organismos que se reproducen de la sexualmente son diferentes entre sí (excepto en los gemelos descenden- monocigóticos). Algunos están mejor adaptados al ambiente cia para desarrollar sus funciones vitales. Cuando las condiciones ambientales son adversas para los Selección organismos, se establece una lucha por la supervivencia, en la natural que los individuos mejor adaptados sobreviven y se reproducen transmitiendo sus caracteres a sus descendientes, mientras que el resto son eliminados. La selección natural, con el paso del tiempo, permite la evolución gradual de las especies. Las premisas para explicar la evolución según Darwin son las siguientes: 1°. Variabilidad y potencial reproductivo, 2°. Competencia por el ambiente, o lucha por la existencia, y 3°. Selección natural. Según el darwinismo, el cuello largo de la jirafa se originó por alguna causa desconocida, algunos individuos nacen con el cuello más largo que de otros. Durante la época de escasez de alimento, sólo sobreviven las jirafas que llegan a las ramas más altas gracias a la longitud de su cuello. Como 9 BIOLOGÍA únicamente se reproducen estas jirafas, se trasmite a la generación siguiente solamente el carácter cuello más largo, Estos procesos se han mantenido de generación en generación hasta la actualidad. 3.3 La teoría del Plasma Germinal El 1885, el biólogo alemán August Weismann, propuso que la base material de la herencia se hallaba en el plasma germinal del núcleo de las células germinales y que un carácter se trasmitía a la descendencia a través de bióforos, éstos son los portadores de los caracteres en los cromosomas, equivalente al ADN. El plasma germinal era la parte nuclear esencial de las células germinales y a diferencia de las células somáticas permanecía cualitativamente idéntica desde el cigoto y era responsable de la herencia; pero, para que una característica sea transmitida a la descendencia, esta característica debe afectar en forma alguna al material hereditario; pues la información genética se transmite con independencia de los cambios en el resto del cuerpo; para desmostrarlo realizó el siguiente experimento: Experimentó de Weismann Cortó la cola a 1512 ratones, a 20 (para otros 50) generaciones sucesivas, y comprobó que continuaban naciendo con la cola igual de larga que el de sus primeros antepasados. Así convenció a muchos científicos que la hipótesis que “los caracteres adquiridos se heredan”, no era cierta. 3.4. La teoría mutacionista Hugo De Vries y William Batenson, fundadores de la genética de poblaciones y el redescubrimiento de las Leyes establecidas por Mendel en 1865, cambio radicalmente la perspectiva sobre el problema de la evolución de las especies. Es así, que se encontró una explicación consistente dentro de la genética mendeliana a la presencia de caracteres no adaptativos. Hugo De Vries fue el introductor de la genética mendeliana al postular su Teoría de la mutación, en oposición a la Teoría de la Evolución de Darwin que postulaba cambios graduales, continuos y no bruscos del fenotipo. Esta teoría sostiene que las mutaciones aportan la materia prima para la evolución y las formas alternativas de los pangenas –genes-, sin los cuales no habría material sobre el que pudiera actuar la selección natural. Por tanto: La evolución se realizaba de manera rápida, dando saltos – saltacional-, a causa de grandes mutaciones sobre las que actuaba la selección natural, y no de una manera lenta y continúa, mediante pequeños cambios, como sostenía la teoría de Darwin. 10 BIOLOGÍA 3.5 Neolamarckismo En 1885 fue adoptado por Alpheus Packard (EE.UU.) y por Lobachensky, ruso. La corriente neolamarckista del siglo XX intenta conciliar los principios de la herencia de los caracteres adquiridos con la genética. En esta teoría se planteaban que las mutaciones no se producían al azar, sino relacionados con los cambios expresados en el fenotipo como consecuencia del esfuerzo por adaptarse al ambiente que realizan los seres vivos. De este modo el medio moldearía al individuo, modificándolo. Según esta teoría el agente primordial de la evolución es la acción modeladora de los factores ambientales (nutrientes, radiaciones, variaciones de tiempo, contaminantes, etc.); por lo que la selección natural es una función subordinada. Ejm: Las células madre. El neolamarckismo renovado da una explicación más sencilla de algunos fenómenos, tales como la estructura ósea, la ceguera de los animales cavernícolas o las callosidades hereditarias. 3.6 El neodarwinismo Esta teoría considera que el origen de la variabilidad de la descendencia es debida a las mutaciones, la recombinación genética, la deriva genética, y la selección natural. Sus exponentes son: Haldane, Fisher, Wrigth, que se basan en la estudios de genética de poblaciones y la ley del equilibrio poblacional de Hardy y Weimberg. Otros como: Huxley, Dobzhansky, Mayr, Simpson, etc. Hicieron una síntesis entre varias teorías como la genética. Síntesis del neodarwinismo Variabilidad de la La variabilidad en la descendencia y la recombinación descendencia génica es debido a mutaciones, que originan genes nuevos. Selección La selección natural elimina los individuos menos aptos y natural permite que los mejores adaptados se reproduzcan. Las poblaciones evolucionan cuando varian sus Variación de las frecuencias génicas y no los individuos, que tienen durante frecuencias toda su vida los mismos genes. Los mecanismos que lo génicas provocan son: las mutaciones, el aislamiento reproductivo, la selección natural y las migraciones. Aislamiento Para que en una población se de origen a una especie reproductivo nueva debe mantenerse aislada de las otras. 4. EVIDENCIAS o PRUEBAS DE LA EVOLUCIÓN Darwin aportó muchos ejemplos de hechos biológicos que daban soporte a su teoría, al igual que otros científicos. Estas pruebas clásicas de la evolución, que se pueden clasificar en siete tipos siguientes: 11 BIOLOGÍA 4.1 Pruebas taxonómicas La clasificación de los seres vivos se basa en criterios de semejanza, tanto morfológicas como genéticas (secuencia de ADN). Así, todas las especies semejantes se agrupan dentro del mismo género, todos los géneros se agrupan en una misma familia, etc. 4.2Pruebas biogeográficas: Se basa en la distribución geográfica de las especies. Vemos que, cuanto más alejadas o aisladas se encuentran 2 zonas, más diferencias hay entre su flora y su fauna. Si las especies sugieran por creación independiente, esta característicano tendría Fig. 1.6. Pruebas taxonómicas ninguna razón de ser. Ej.las trece especies de pinzones de Darwin, en las islas Galapágos. Fig. 4.1. Pruebas taxonómicas 4.3 Pruebas paleontológicas o fósiles Son pruebas directas de los cambios que sufrieron las especies. Los fósiles revela un incremento en la complejidad estructural de los organismos, la actividad de la diversidad de especies y cómo se adaptaron a las condiciones del medio. Los tipos de fósiles: Huellas, Petrificaciones, Moldes, Momificaciones y partes duras. 4.4 Pruebas de la Anatomía Comparada Se basa en la comparación de órganos entre diferentes especies.  Órganos homológos. Tienen el mismo origen embriológico y, como consecuencia, la misma estructura interna, aunque tengan forma y función diferentes. Por ejemplo, son órganos homólogos las extremidades anteriores de los vertebrados (evolución divergente).  Órganos análogos. Tienen la misma función, aunque tienen una estructura interna y un origen embriológico diferente. Por ejemplo, son órganos análogos las alas de un insecto y alas de un pájaro (evolución convergente). 12 BIOLOGÍA  Órganos vestigiales. Son órganos que no tienen una función en el individuo. Algunos ejemplos de órganos vestigiales de los seres humanos son las muelas del juicio, los huesos del cóccix, el pelo del pecho y el apéndice vermiforme; las extremidades posteriores de ballena y serpientes pitones, el Kiwi con alas vestigiales. Fig. 4.2. Estructuras vestigiales del ser humano Fig. 4.3 Estructuras homólogas F. 4.4 Estructuras análogas 13 BIOLOGÍA 4.5 Pruebas de Embriología Comparada El estudio del desarrollo de embriones de diferentes animales, podemos encontrar ciertas semejanzas que los relacionan. Por ejemplo, tanto en el embrión humano como en el de la gallina hay arcos aórticos y un corazón con sólo dos cámaras, similar al de los peces. Podemos explicar este hecho si consideramos que pájaros y mamíferos han evolucionado a partir de ancestros comunes similares a los peces. Ley biogenética, propuesta por E. Haeckel (1834 - 1919) afirma que la ontogenia o desarrollo embrionario de los individuos de una especie es una recapitulación corta de la filogenia o secuencia de especies Fig. 4.5. Pruebas embriológicas ancestrales. 4.6 Pruebas bioquímicas y de la biología molecular Se basa en el estudio comparativo de las moléculas de los organismos de especies diferentes. Cuanto más similares son las características morfológicas entre dos individuos, más semejantes son las moléculas que los constituyen. Al comparar moléculas de diferentes organismos, sobretodo de ácidos nucleicos (ADN y ARN), se han detectado diferentes grados de parentesco y, como consecuencia de ello, ha sido posible establecer relaciones de procedencia (líneas filogenéticas) entre diversas especies. Entre las primeras pruebas bioquímicas que se utlizaron para determinar el parentesco entre las especies, hay las pruebas serológicas, y hoy en la actualidad la secuencia de nucleótidos del ADN o del ARN. (ver fig. 4.6) 14 BIOLOGÍA 4.7 Semejanza protectiva, de las mariposas Abedul, de las cuales, su frecuencias poblacionales cambiaban de acuerdo a la estación y a la contaminación industrial, mediante dos fenotipo, blancas y grises. Fig. 4.6. Pruebas bioquímicas 5. CARACTERÍSTICAS DE LA MATERIA VIVA La vida es el conjunto de cualidades propias de los seres vivos, ellos tienen una compleja estructura material y poseen características que los diferencia de los seres inanimados, entre las que se distinguen: A. Organización compleja y una composición química definida Los seres vivos presentn un gran número de niveles de organización, desde los bioelementos y biomoléculas que estructuran la célula (unidad estructural y funcional de todo ser vivo), las cuales forman: Talo (*), tejidos, luego, estos conforman órganos y/o sistemas que estructuran los organismos, los cuales viven en poblaciones y éstas, constituyen comunidades y su conjunto forman un ecosistema y a la vez, éstas instituyen la biósfera. 15 BIOLOGÍA (*)Talo. Es una estructura pluricelular en que todas las células son iguales entre sí, por lo tanto, todas pueden llevar a cabo las tres funciones, es decir, son células equipotentes. Este tipo de estructura lo presentan las algas y los hongos pluricelulares. Fig. 4.7. Niveles de organización de los seres vivos B. Metabolismo Es el proceso mediante el cual los seres vivos transforman y aprovechan la materia y energía, para realizar sus funciones. Estas reacciones químicas son reguladas por las enzimas (catalizadores químicos). Constituye dos tipos: Anabolismo y Catabolismo. Anabolismo: Proceso por el cual de sustancias simples se sinteiza otras más complejas y utilizan energía de las reacciones endergónicas. Ej., síntesis de glúcidos (oligosácaridos y polisacáridos), lípidos, proteínas, ácido nucleicos; y a su vez forman células y tejidos y que ayudan a crecer. Catabolismo: En él, se transforma sustancias complejas en sustancias más simples y liberan energía debido a reacciones exergónicas. Ejemplo, En la digestión, los alimentos se degradan en compuestos sencillos como azucares simples (monosacáridos), aminoácidos, ácidos grasos, etc. 16 BIOLOGÍA C. Homeostasis Es la capacidad de los seres vivos de mantener el equilibrio biológico de su interior, por medio de sus mecanismos homeostáticos, en forma independiente de las variantes externas e internas. Ej., Regular el calor de nuestro cuerpo, cuando hace calor el cuerpo suda, cuando hace frío el cuerpo metaboliza más alimentos. D. Crecimiento y Desarrollo Crecimiento: Es cuando los seres vivos aumentan progresivamente de tamaño hasta alcanzar los límites característicos de su especie, gracias a la utilización de los nutrientes adquiridos de sus alimentos. Desarrollo: Son los cambios morfológicos, fisiológicos o conductuales que preparan al individuo para una nueva etapa. E. Diferenciación. Proceso por el cual una célula se convierte en otro tipo celular más especializado. Este cambio implica muchas variaciones morfológicas debido a una reprogramación de su expresión génica. Por ejemplo, las células germinales, son las encargadas de dar todos los progenies celulares de un ser vivo mediante su división y diferenciación, desde el embrión hasta el adulto. F. Movimiento. Capacidad que tienen los seres vivos para desplazarse de un lugar a otro, incluye a los miembros de todos los reinos. G. Irritabilidad Es la respuesta o reacción de los seres vivos a estímulos de su ambiente interno o externo. Por ej., los animales mediante su sistema receptor, perciben los estímulos externos e internos, como: estiramiento, dolor, temperatura, etc.y las plantes mediante sus procesos como las nastias. H. Adaptación Capacidad de los seres vivos para reacondicionarse a los factores del medio. Es progresiva y se manifiesta mediante cambios en su estructura, tamaño, colores, comportamiento. Selección Natural ------ Evolución. I. Reproducción Es el proceso biológico por medio del cual los seres vivos forman nuevos individuos semejantes a ellos, para perpetuar su especie, Puede ser: 17 BIOLOGÍA Reproducción Sexual. Se realiza con la participación de gametos. Reproducción Asexual: Es la que se lleva a cabo sin la participación de gametos o células reproductoras. Es la que emplean los organismos menos evolucionados como las bacterias o los protozoarios (Reino Protista. femenino y masculino, y que al unirse mediante la fecundación originan un huevo o cigoto. J. Evolución. Sucede cuando los seres vivos cambian a través de las generaciones en sus poblaciones y cuando estos son irreversibles y Fig. 1.13. Categorías taxonómicas pueden generar nuevas especies. Dentro del nivel celular se diferencia el subnivel de colonias celulares. Las colonias celulares no se consideran seres pluricelulares, ya que cada una de sus células lleva a cabo todas las funciones de manera individual. Por ello, si una célula queda aislada, no tiene ningún problema de supervivencia. El nivel pluricelular comprende las estructuras que están constituidas por más de una célula. Dentro de aquellos niveles hay subniveles siguientes: talo, tejido, órgano, sistema, y aparato. Los organismos formados por aparatos/sistemas presentan un grado de complejidad elevado. 6. CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS En la actualidad los profesionales e investigadores hacen uso de la taxonomía (clasifica, ordena y nombra a los seres vivos), así por ejemplo, un médico alergista, necesita saber qué plantas producen cierto tipo de polen o esporas; al bioquímico le interesará las plantas productoras de drogas y el paleontólogo buscará datos en especies extinguidas. Las clasificaciones de seres vivos utilizan las categorías taxonómicas, siendo la relación de conjunto a subconjunto, y cada una de las categorías recibe el nombre de taxón. Para nombrar a una especie, se usa la nomenclatura binomial, cuyos principios son dos nombres para cada especie, escritos en latín o latinizado (primer nombre es 18 BIOLOGÍA el género o epiteto genérico, y el segundo es el epíteto específico). Fig. 6.1. Categorías taxonómicas La primera letra del nombre genérico debe estar escrita en mayúscula, y ambos nombres deben ser subrayados por separado o estar escritos en cursiva, por ejemplo: “cochinilla del carmín” Dactylopius coccus, “cucaracha” Periplaneta americana. El nombre del género, puede usarse sólo para designar a todas las especies del género (por ejemplo, el género Quercus incluye a todas las especies del roble). El mismo nombre específico se usa como segundo nombre de especies en diferentes géneros. Por ej.,Quercus alba es el nombre científico de la especie para el roble blanco y Salix alba es el nombre de la especie para el sauce blanco (alba proviene de una palabra en latín que significa “blanco”). En consecuencia, deben usarse ambas partes del nombre para identificar con precisión a la especie. El nombre específico nunca se usa sólo; siempre debe seguir al nombre de género completo o abreviado, por ej., Quercus alba o Q. alba. Aristóteles clasificaba los seres vivos en plantas y animales. Esto se mantuvo así hasta finales del siglo XVIII. Haeckel, en 1866, propusó un tercer reino, el Protista que engloba a todos los seres vivos sencillos, sean o no fotosintéticos móviles o inmóviles. Incluía a los seres unicelulares protozoos, algas, hongos y bacterias. Luego, Chatton, crea dos reinos: los procariotas y eucariotas. Después Copeland, en 1938, aparta a las bacterias de los Protistas, creando para ellas el reino Monera. Y por consiguiente, luego, Robert Whittaker, en 1969, propone cinco reinos, los cuales tenían como base el tipo de estructura celular, el número de células y el tipo de nutrición. Consideró el reino monera integrado por los seres procariotas; el reino protista, por los eucariotas unicelulares (protozoarios, mohos deslizantes y algas unicelulares); el reino plantae, por los eucariotas pluricelulares de nutrición autótrofa (algas pluricelulares y plantas); el reino fungi, por los eucariotas pluricelulares de nutrición heterótrofa absortiva (hongos) y el reino animalia, por los eucariotas pluricelulares de nutrición heterótrofa ingestiva (animales). En 1977 Woese y sus colaboradores (Lake 1984) y Cavalier-S. (1987) ha recogido la evidencia actual sobre tres grandes líneas evolutivas del mundo vivo, y ha propuesto que sean admitidas con la categoría de dominios, los dos dominios con organización celular procariótica se rebautizan como Bacteria (equivalente a Eubacteria) y Archaea (sinónimo de Archaeobacteria), y el dominio eucariótico pasa a denominarse Eukarya y se considera que dentro del dominio Eukaria, están los reinos: Protista, Fungi, Plantae y Animalia. En 1900, Woese se permitió tratarlas como 19 BIOLOGÍA dominios y la separación de los dos grupos procariotas de los tres dominios de Carl Woese, ya no se utiliza el término archaeobacteria para referirse a las Archaeas. Fig. 6.2. Árbol filogenético de Carl Woese Cuadro 6.1. Comparación de los tres dominios de la vida CARACTERÍSTICA DOMINIO Bacteria Archaea Eukarya Carioteca Ausente Ausente Presente Organelos Ausentes Ausentes Presentes Peptidoglucano Presente Ausente Ausente Lípidos (membrana) Colas no Algunas colas Colas no ramificadas Ramificadas Ramificadas ARN polimerasa Una clase Varias clases Varias clases Primer aminoácido Formilmetionina Metionina Metionina Intrones Raros En genes Presentes Respuesta a los Inhibe el No inhibe el No inhibe el Antibióticos crecimiento Crecimiento crecimiento Histonas Ausentes Presentes Presentes Cromosoma circular Presente Presente Ausente Capacidad de crecer No Algunas especies No a temperat. > 100oC Ejemplos Esquizofitas Termógenas, Protistas, hongos, y cianofitas acidófilas y plantas y halófilas extremas animales 20 BIOLOGÍA Cuadro 6.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CINCO REINOS MONERA PROTISTA FUNGI PLANTAE ANIMAL (MYCOTA) (METAFITA) (METAZOA) Tipo Procariotas Eucariotas Eucariotas Eucariotas Eucariotas Celular ADN Circular Lineal Lineal Lineal Lineal No Unicelular/ Unicelular Pluricelular Pluricelular células Unicelular Pluricelular /Pluricelul. Nutri- Autótrofos/ Autótrofos/ Hetró- Autótrofos Heterótrofos ción Heterótrofos Heterótrofos trofos Energía Química/ Química/ Química Luminíca Química Luminica Lumínica Repro- Asexual Asexual/ Asexual/ dución Sexual Sexual Asexual/ Sexual Sexual Tejidos No existen No existen No existen Existen Existen Movil- Si/No Si/No No No Si idad Esquizofitas: Protozoarios: Hongos Criptó- Poríferos *Sarcodinos Cnidarios Cocos *Cilióforos: Perfectos: gamas: Platelmintos Bacilos -Paramecium - Zigomi- Briofita: Nemátodos * Zoomas- Musgos y Anélidos Espirilos cetos Hepáticas tigóforos Moluscos E Vibrios - Ascomi- Pteridofita: Tripano- Artrópodos J Mico- somas cetos Helechos Equino- E plasmas Leishmanias. -Basidio- dermos *Apicomplexos Faneró- M miceto gamas: Plasmodium Cordados: P Cianofitas: Gymnos- -Urocordada Nostoc, Algas: permas: - Vertebrata: L Hongos. Anabaena, Euglenofitas Pinos, + Pisces O Oscilatora, Imper- Araucarias, Crisófitas +Tetrapoda: S Spirulina Pirrofitas fectos: Ciprés, Vertebrados Deutero- Secoyas. miceto: Angios- Penici- permas: llium Monocoti- Dermato- doneas: fitos: Gramíneas, que Maíz,arroz. provocan Dicotile- la tiña: doneas: Habas, garbanzo. 21 BIOLOGÍA Tabla 1.4. Dominio Eukarya REINO PYLUM Principales Representantes P Euglenofitas Euglena viridis r o Pyrrofitas Dinoflagelados, Ceratium, Gymnodinium t Crysofitas Diatomeas y algas pardo-doradas i Sarcodina Entamoeba hystolitica y amebas libres s Mastigofora Trypanosoma, Leismania, Giardia, etc. t Ciliados Balantidium coli, Paramecium, etc. a Esporozoa Plasmodium vivax F Cigomicetos Rhizopus nigricans U Agaricus campestris, Boletus satanicus Basidiomicetos N G Ascomicetos Levaduras, Candida, Royas, etc. I Basidiomicetos Penicilium, Dermatofitos, etc. Briofitas Musgos y hepáticas Plan- Pteridofitas Helechos y licopodios (Licopodiofitas) tae Gymnospermas Pinos, cipres, Gynkgo biloba Angiospermas Monocotiledóneas y Dicotiledóneas Porífera Esponjas Cnidaria Medusas, corales e hidras Platyelminthes Planarias, tenias, duela del hígado (alicuya). Nematoda Lombriz intestinal, oxiuros, triquina, etc. Annelida Lombriz de tierra, poliquetos, sanguijuelas Clase Arachnida: arañas, ácaros y garrapatas Clase Crustacea: cangrejo, camarones A Clase Insectos: Saltamonte, piojos, mariposas, N piojos,moscas, chinches, escarabajos, etc. I Arthropoda Clase Diplopoda: Milpiés M Clase Chilopoda: Ciempiés A Mollusca Gasterópodos, cefalópodos, bivalvos L Echinodermata Estrella de mar, erizos de mar, sol de mar, etc. I Subphylum urocordados: Tunicados A Subphylum cefalocordados: Anfioxos Superclase: Piscis. Clase: Agnatos, ej. Sub- lampreas. Condrictios: esqueleto phy- cartilaginoso. Osteoictios: esqueleto óseo. Chordata lum: Clase Anphibia:Anuros, urodelos (Cordados) Super Clase Reptilia: Saurios, ofidios, - cocodrilos, quelonios y ofidios. Verte clase: Clase Aves brata Clase Mammalia: Subclases: - Tetra Prototheria: Monotremas poda - Metatheria: Marsupiales - Eutheria:Placentarios 22 BIOLOGÍA SEMANA 02 ORGANIZACION QUÍMICA DE LOS SERES VIVOS 1. Bioelementos. Son elementos químicos que constituyen la materia viva; de elevado calor específico, baja densidad, bajo peso atomico, muy abundantes en la naturaleza y muy activos. A) Clasificación: De acuerdo a su abundancia relativa, se pueden clasificar en dos grupos:  Macroconstituyentes o primarios (C, H, O, N, P y S). Son los indispensables para la formación de las biomoléculas orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). Estas son las moléculas que constituyen a todos los seres vivos. Por ello, las biomoléculas, también se les denomina principios inmediatos de la vida. Son un grupo de seis elementos que constituyen el 96,2% del total de la materia viva. De los mencionados, a cuatro de ellos ( C, H, O, N) se les denomina organógenos; además el (P y S), son complementarios. El carbono es el constituyente universal; el hidrógeno es el otro elemento indispensable para formar biomoléculas; el oxígeno que aumenta la formación de ATP, y forma parte de los grupos con polaridad, y de muchas biomoléculas; el nitrógeno que forma parte de proteínas y ácidos nucleicos; el fósforo componente de los ácidos nucleicos y las ribozimas, así como de los fosfolípidos, y el buffers de la célula (fosfato) y las ergomoléculas, como el ATP y, el azufre componente de cisteína, metionina, tiamina, coenzima A, y formando puentes disulfuro en proteínas, enzimas y hormonas como la insulina.  Microconstituyentes o secundarios. Son el resto de los bioelementos. Se distinguen los más abundantes (Na, K, Mg, Ca, Cl) y los oligoelementos (Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Se, Li, Si, I y F). Asimismo, se puede distinguir dos tipos: los indispensables, (Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe, y I) que son los que no pueden faltar porque son imprescindibles para la vida de la célula y que, en más o menos proporción, se encuentran en todos los seres vivos, y variables, (Br, Zn, Ti, Co, V, etc.) que son los que pueden faltar en algunos organismos. Los oligoelementos, son los que se encuentran en proporciones inferiores al 0,1%. No hay una relación directa entre abundancia y esencialidad; estos elementos son indispensables, ya que no tienen función estructural, sino catalizadora, es decir, actúan como aceleradores de reacciones químicas. 23 BIOLOGÍA Según las funciones de los bioelementos, los que forman parte de los principios inmediatos, se les denomina bioelementos plásticos (C, H, O, N, P, S). 2. BIOMOLÉCULAS INORGÁNICAS Los seres vivos están constituidos por entidades moleculares, de tipo homoatómicas (O2) y heteroatómicas (compuestos inorgánicos y orgánicas, los cuales pueden ser divididos también como iónicos, unidos por enlace iónico y, covalentes (o moléculas), unidos por enlace covalente. Las biomoléculas o principios inmediatos o compuestos, a su vez se encuentran unidas por enlaces intermoleculares, como el enlace puente de hidrógeno (entre las moléculas de agua, entre las bases nitrogenadas, etc.), puente disulfuro (en la estructura terciaria de las proteínas), atracciones electrostáticas, dipolo-dipolo, fuerzas de Van der Waals, etc. 2.1. AGUA. Es la sustancia inorgánica binaria más abundante de la célula (70 – 80%). El agua representa las ¾ partes de la superficie terrestre. En los humanos adultos representa el 63% del peso seco; en el embrión humano, el 94% y en las algas, el 95%. Los huesos, con el 22%; algunas semillas, con el 20%, y la dentina de los dientes, con tan sólo el 10%. Hay una relación directa entre el contenido en agua y la actividad fisiológica de un organismo. Los porcentajes más bajos se hallan en los seres con vida latente, como semillas, esporas, etc. El agua se encuentra en la materia viva en dos formas:  Como agua extracelular (1/3 del agua corporal total), la que puede ser a su vez, agua intersticial, entre las células, estando adherida a la sustancia intercelular (agua de imbibición), ej., en el tejido conectivo, y agua extravascular o circulante, por ejemplo, la sangre, la linfa, la savia, etc.  Como agua intracelular (2/3 del agua corporal total), en el citosol o en el interior de los orgánulos celulares. A) Estructura molecular. - Tiene una estructura tridimensional de un tetraedro asimétrico e irregular –la carga eléctrica no se distribuye de modo uniforme- con el oxígeno en el centro. Los dos enlaces con el hidrógeno se dirigen hacia las dos esquinas del tetraedro, y los electrones no compartidos ocupan las dos 24 BIOLOGÍA esquinas restantes. Es así, que pueden unirse con 2 aniones y 2 cationes o con otras 4 moléculas de agua. - El ángulo entre los dos átomos de hidrógeno es de 104,5° en estado líquido y 108° al estado solido. - Es un dipolo, es decir, la molécula de agua posee carga eléctrica (electrones), con un lado positivo y un lado negativo (es anfótera). - Sus enlaces covalentes se rompen con 100 a 110 kcal. - Sus puentes de hidrógeno permiten dar estabilidad la estructura tridimensional de proteínas y ácidos nucleicos. Asimismo, le brinda que esta molécula tenga, elevada adhesión y cohesión; elevada tensión superficial y resistir cambios de temperatura. Fig. 2.1 A. Estructura del agua Fig. 2.1 B. Unión de moléculas de agua Figs. 2.3 C. Agua es un bipolo B) Importancia del agua. De acuerdo a sus funciones químicas y fisiológicas  Es un excelente disolvente y medio de suspensión. 25 BIOLOGÍA  Regula la temperatura corporal, porque, una buena cantidad de agua ayuda a mantener la homeostasis de la temperatura corporal, por ejemplo, cuando el agua se evapora de la piel capta grandes cantidades de calor y proporciona un excelente mecanismo de enfriamiento.  Participa en las reacciones metabólicas y potencia la acción de las enzimas.  Actúa como lubricante, por ej., en las mucosas y líquidos lubricantes a nivel de tórax y abdomen; asimismo, es necesario en las articulaciones, donde los huesos, ligamentos y tendones se friccionan entre ellos.  Es un medio de transporte de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos; por ejemplo en la ascensión de la savia bruta en los árboles. 2.2. SALES MINERALES. Son principios inmediatos inorgánicos formadas por un metal y un radical no metálico, es decir por un catión enlazado a un anión por enlace iónico. A) Estructura y naturaleza química:  Son solutos, que tienen enlace iónico en su estructura. Algunas forman disoluciones acuosas, gracias a la solvatación.  Otras son insolubles, formando precipitados en los seres vivos, como la hidroxiapatita de los dientes y huesos (Ca10(OH)2(PO4)6). B) Importancia biológica:  Actúan como cofactores de muchas enzimas (Mg+2, Mn+2, Se+2, etc).  En los animales, el sodio, el cloro y el potasio participan como iones en el funcionamiento del sistema nervioso; el catión calcio es fundamental para la contracción muscular y la coagulación sanguínea.  El calcio forma estructuras sólidas y duras en los huesos y dientes como hidroxiapatita, en las conchas de los moluscos como carbonato de calcio, en el pico de las aves como queratinato de calcio. Los nitratos y fosfatos en el guano de las aves marinas, y como quitinato de calcio en el exoesqueleto de los artrópodos.  En estado iónico, regula el equilibrio ácido básico (buffers=reguladores del pH) de los líquidos corporales, así como el equilibrio osmótico de las soluciones en nuestro organismo. Ejemplo, el sodio, cloro y potasio.  Forman el potencial electroquímico de las células: A nivel de plasmalema y de membranas de los organelos, como son el K y Na. 26 BIOLOGÍA 3. BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS. Son entidades moleculares que presentan enlaces carbono-carbono, organizándose en moléculas simples (glucosa, fructosa, galactosa, manosa, etc.), intermedias (lípidos) y macromoléculas o polímeros (polisacáridos, proteínas, enzimas, ácidos nucleicos, vitaminas). 3.1. GLÚCIDOS. Son biomoléculas orgánicas. Químicamente, los glúcidos o carbohidratos son derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihidroxilados, desde el punto de vista estructural a nivel de la presencia de los grupos funcionales. A) Propiedades de los glúcidos  Se originan de la fotosíntesis.  Presentan hidrólisis enzimática, al romperse el enlace glucosídico.  Son compuestos ternarios, compuestos por C, H y O, siendo la proporción de O/H mayor que en los lípidos.  Son dulces, siendo la fructosa, la de mayor poder edulcorante.  Presentan estructura molecular acíclica conocidas como fórmulas de Fisher, y cíclica denominadas fórmulas de Haworth.  Fermentables, permitiendo mediante este proceso obtener diferentes productos industriales (productos lácteos, bebidas alcohólicas). B) Clasificación de los glúcidos. Por su hidrólisis, son: (ver tabla 3.1.) Tabla 3.1. Clasificación de los glúcidos Triosas (3C) Gliceraldehído Dihidroxiacetona Tetrosas (4C) Eritrosa Eritrulosa Pentosas (5C) Ribosa, xilosa Ribulosa NO Monosacáridos arabinosa HIDRO- Simples Hexosas (6C) Glucosa, Fructosa LIZABLES U OSAS galactosa, (levulosa) manosa M. derivados Desoxiazúcares, Aminoazúcares, Azúcares ácidos Disacáridos Sacarosa, maltosa, lactosa, trehalosa, celobiosa, isomaltosa Oligosacáridos Antígenos de superficie HIDRO- Holósidos Homopolisacáridos De reserva: almidón, glucógeno LIZABLES U ÓSIDOS Estructural: celulosa, quitina Heteropolisacáridos Acido hialurónico, condroitina, heparina Heterósidos Peptidoglucano (Parte glucídica y aglucón) 27 BIOLOGÍA B.1 MONOSACÁRIDOS. Son las unidades estructurales de los glúcidos. a. Propiedades:  No hidrolizables, pues no tienen enlace glucosídico  Son solubles en agua, es decir forman disoluciones acuosas (suero).  Azúcares reductores, pues el carbono hemiacetal está libre.  Tienen poder edulcorante, es decir, son dulces.  Tienen actividad óptica, excepto la dihidroxiacetona.  Con isómeros (glucosa y fructosa), enatiómeros (D y L), anómeros (α y β), epímeros de la glucosa (manosa y galactosa), e incluso las forma silla y bote. Fig. 3.1 Enantiómeros b. Clasificación: Se clasifican por número de átomos de carbono (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas), y por el grupo funcional, en aldosas si tienen al grupo aldehído, y cetosas, si tienen al grupo ceto. Fig. 3.2. Fórmulas de Fisher de los Monosacáridos 28 BIOLOGÍA - Ósidos se clasifican en holósidos y heterósidos, estos últimos, mediante enlaces glucosídicos, se unen a otras estructuras que no son azúcares, entre ellas purinas y pirimidinas (en los ácidos nucleicos), anillos aromáticos (en los esteroides y bilirrubina), proteínas (en glucoproteínas y glucosaminoglucanos) y lípidos (se encuentran en glucolípidos). De lo anterior se deduce que hay enlaces O y N glucosídicos. Si el grupo sobre la molécula que no es glúcido al que está unido el azúcar es un grupo –OH, la estructura será un glucósido O. Si el grupo es un –NH2, será un glucósido N.  Holósidos, tienen enlaces glucosídicos tipo O; se clasifican según el número de carbonos unidos entre dos azúcares, y según β y el carbono 4 de la glucosa. Por tanto, es un enlace glucosídico β (1→4) (Nota: como la terminación anomérica del residuo de glucosa no participa en el enlace glucosídico, - y por lo tanto en la lactosa-, se conserva como azúcar reductor). + Oligosacáridos: Disacáridos. Son glúcidos que por hidrólisis, generan dos unidades de monosacáridos, unidos por enlace O - glucosídico, de tipo alfa y beta. Su fórmula global es C12O22O11, Pueden ser: * Disacáridos reductores, por ej., en la maltosa, isomaltosa, lactosa y celobiosa, etc. * Disacáridos no reductores, son la sacarosa o sucrosa y la trehalosa. Fig. 3.3. Enlace alfa y beta glucosídicos 29 BIOLOGÍA + Polisacáridos. Es un polímero de muchos monosacáridos. Se clasifican en estructurales, los que tienen enlace beta (celulosa y quitina) y de reserva, los que tienen enlace alfa (almidón y glucógeno). Por el tipo de monómeros, son homopolisacáridos (si tienen el mismo monómero), y heteropolisacáridos (si tienen diferente monómero). No poseen carácter reductor, insolubles, forman dispersiones coloidales. - Homopolisacáridos. Son sustancias que por hidrólisis dan lugar a un solo tipo de monosacáridos * Almidón. Es el polisacárido de reserva en los vegetales. Tiene dos tipos de polímeros: la amilosa en un 30%; constituida por maltosas, unidas mediante enlace α (1→4), es lineal y helicoidal, soluble en agua, y con el yodo se tiñe de color azul negruzco, y la amilopectina en un 70%, formada por α glucosas unidas por enlaces α (1→4) y cada doce glucosas aparece una ramficación en posición α (1→6), adoptando una forma ramificada menos densa que el glucógeno; el yodo se tiñe de rojo oscuro. Tabla 3.2. Clasificación de los Polisacáridos Pentosanas Arabana, xilana Homopoli- α – hexosanas Almidón, glucógeno, Polisa- isacáridos dextranos cáridos β – hexosanas Celulosa Aminosanas Quitina Inulina Heteropoli- Pectina, hemicelulosa Isacáridos Agar-agar, goma arábiga Mucopolisacáridos Ácido hialurónico, condritina, heparina * Glucógeno. Es el polisacárido de reserva-energética en los animales. Se encuentra abundantemente en el hígado y en los músculos. Está constituido por unas 15 000 maltosas mediante enlaces α (1→4). Su estructura es helicoidal y con ramificaciones como la amilopectina, pero más frecuentes, cada 10 glucosas, también mediante enlaces α (1→6). Con el yodo, la dispersión coloidal se tiñe de color rojo oscuro. * Inulina. Es un polisacárido de reserva – energética; se encuentra el la dalia, alcachofa y el yacón, estas últimas especies son utilizadas en el tratamiento de diabetes mellitus tipo II. En su estructura lineal se observa moléculas de fructosa con enlaces β(1→2). No da color con el yodo. * Dextranos. Es un polisacárido de reserva de levaduras y bacterias. En su estructura solo contienen α-D-glucopiranosas mediante enlaces (1→6) y según las especes tiene diferentes ramificaciones. 30 BIOLOGÍA * Celulosa. Es el polisacárido estructural de vegetales, de ahí su función plástica. Es el componente principal de la pared celular vegetal. Está constituida por glucosas, unidos por β- glucosas, unidas por β(1→4). * Quitina. Es un polisacárido estructural de los hongos y del exoesqueleto de los artrópodos. Es un polímero constituido por N-acetil D-glucosaminas, mediante enlaces β (1→4) de modo análogo a la celulosa. - Heteropolisacáridos, son sustancias que por hidrólisis dan lugar a varios tipos distintos de monosacáridos o derivados de éstos. Y son: * Pectina y hemicelulosa, ubicadas en la pared celular de los vegetales. * Agar-agar, se extrae de las algas rojas. * Goma arábiga, sirve para la cicatrización de heridas de los vegetales. * Mucopolisacáridos. Componentes de la matriz extracelular de tejidos y de líquidos corporales. De estructura compleja con unidades derivadas de glucosa o galactosa. Se hidratan con facilidad debido a su gran cantidad de cargas eléctricas formando geles (ej., pectina); su porción (glúcida) polisacárido se denomina glucosaminoglucano. Comprende al: ácido hialurónico; heparina; condroitina; dermatansulfato y heparansulfato. Heterósidos, Son sustancias poliméricas que por hidrólisis dan monosacáridos y moléculas no glucídicas denominadas aglicón. Según su naturaleza pueden ser glucoproteidos (las mucinas de secreción, y los aglutinógenos, hormonas gonadotropinas, peptidoglucano y los ácidos teicoicos), glucolípidos, y glúcidos constituyentes de los ácidos nucleicos. Fig. 3.4. Glucógeno: Estructura 31 BIOLOGÍA Fig. 3.5 Celulosa y Quintina: Sus respectivas estructuras C. Importancia de los glúcidos. Estas moléculas son importantes a nivel biomédico e industrial por las funciones que desempeñan en los seres vivos, a saber:  Función energética. Un gramo de azúcar produce 4,1 kcal. Según la ley de la termodinámica, además de calor, se produce energía química almacenada, que queda atrapada en el adenosin trifosfato (ATP).  Función de reserva energética. Sn la principal reserva energética del organismo de uso inmediato. Esta función la realizan los polisacáridos. En los animales, el glucógeno se almacena en el hígado y músculos, y en las plantas, el almidón, se almacena en raíces, tallos, hojas y semillas.  Función estructural. Hacen esta función los glúcidos que forman las paredes celulares de los vegetales y de los hongos, como la celulosa y la quitina, respectivamente.  Función antigénica. Por ej., los antígenos del sistema ABO, son glucoproteínas o glucolípidos ubicados a nivel de plasmalema. 32 BIOLOGÍA 3.2. LIPIDOS. Los lípidos son un grupo heterogéneo de sustancias. Están constituidos por carbono, hidrogeno y oxígeno (en proporción bajas). Además, algunos lípidos también contienen fósforo, nitrógeno y azufre. A. Propiedades de los lípidos - Son hidrofóbicos por tener proporción de enlaces de C-C y C-H. - Se originan por esterificación. - Presentan hidrólisis enzimática, al romperse el enlace esteárico. - Son compuestos ternarios, compuestos por C, H y O, siendo la proporción de H/O mayor que en los glúcidos. - Son insolubles en agua o poco solubles en el agua y solubles en solventes orgánicos (éter, tetracloruro de carbono, benceno). - Poseen una textura oleaginosa, translúcida - Presentan estado sólido o líquido según su molécula contenga un alto porcentaje de ácidos grasos y se peroxidan (sufren rancidez) por acción biológica y brindan 9,3 kcal por 1 g. - Se peroxidan (sufren rancidez) por oxidación biológica. - No son polímeros como los polisacáridos, polipéptidos – proteínas. - Al unirse con otras biomoléculas forman glucolípidos, lipoproteínas, etc. B. Ácidos grasos -Son moléculas que tienen una larga cadena hidrocar- bonada de tipo alifático, con su grupo carboxilo (–COOH), que le da el carácter ácido. - Son poco abundantes en estado libre pero son uno de los principales constituyentes de la mayoria de los lípidos como triglicéridos y fosfolípidos.. - Se obtienen a partir de ellos, por hidrólisis. Fig. 3.6. Tipos de grasas y ácidos grasos - Se conocen unos setenta Ácidos grasos. 33 BIOLOGÍA Los ácidos grasos se clasfican, en: a. Acidos grasos saturados. Son los ácidos grasos que sólo tienen enlaces simples entre los átomos de carbono. A causa de ello las cadenas hidrocarbonas son lineales. b. Acidos grasos insaturados. Son los ácidos grasos que tienen uno más enlaces de tipo “cis” entre los carbonos de la cadena hidrocarbonada: Por ello, sus moléculas no son rectilíneas sino que presetan curvas en los lugares de los dobles enlaces. Pueden ser: - Monoinsaturados. Tienen un único enlace doble, por ej. el ácido graso palmítico, estearíco, araquídico, etc., y - Poliinsaturados. Tienen dos a más dobles enlaces ej. el ácido graso oleico, linoleico, linolénico, etc. Existen ácidos grasos esenciales y no esenciales:  Ácidos grasos esenciales no se pueden sintetizar en el organismo, por lo que deben ser proporcionados por la dieta, como ocurre con el ácidos linoleico: con 18 carbonos y dos doble ligaduras - Ω 2-, y el ácido α linolénico: con 18 carbonos pero con tres doble ligaduras - Ω 3 -. debe precisar que antes el ácido araquidónico, era esencial pero actualmente se sabe que es sintetizado por nuestro organismo por lo que ahora no es considerado esencial. Tabla 3.3. Tipo de ácidos grasos NOMBRES FÓRMULA N° ÁTOMOS N° DOBLES PROCEDENCIA QUÍMICA DE CARBONO ENLACES SATURADOS Laúrico C11H23COOH 12 0 Aceite de laurel Mirístico C13H27COOH 14 0 Aceite de coco Palmítico C15H31COOH 16 0 En casi todas las Esteárico C17H35COOH 18 0 grasas y aceites Araquídico C19H39COOH 20 0 Aceite de maní INSATURADOS C15H29COOH 16 1 Mantequilla Palmitoleico C17H33COOH 18 1 Grasas y aceites Oleico C17H31COOH 18 2 Aceite de cartamo Linoleico C17H29COOH 18 3 Aceite de linaza Linolénico C19H31COOH 20 4 Aceite de maní Araquidónico C. Clasficación de los Lípidos.. Los lípidos se clasifican en: 34 BIOLOGÍA Simples Acilglicéridos Lípidos con ácidos Céridos grasos o Complejos Fosfoglicéridos saponificables Fosfoesfingolípidos Lípidos Glucoesfingolípidos Lípidos sin ácidos Terpenos o isoprenoides grasos o Esteroides insaponificables Prostanglandinas * Lípidos saponificables simples: Acilglicéridos y Céridos. Son los que contienen ácidos grasos. Se pueden saponificar. Fig. 3.7. Lípidos saponificables simples: Estructuración del Monoglicérico Son ésteres, es decir, son el producto de la unión de un ácido graso y un alcohol. Pertenecen a este grupo los lípidos simples u hololípidos y los lípidos complejos o heterolípidos. Comprenden dos grupos de lípidos:  Los acilglicéridos tienen función de reserva energética en el organismo. Según el número de ácidos grasos que forman la molécula de acilglicéridos, se llaman monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triacilglicéridos o triglicéridos. Los acilglicéridos que presentan como mínimo un ácido graso insaturado, a temperatura ambiente, son líquidos y reciben el nombre de aceites. Por ejemplo, el aceite de oliva está constituido básicamente por el triglicérido trioleína, formado por una glicerina y tres ácidos oleicos. Si todos los ácidos grasos son saturados, a temperatura ambiente, los acilglicéridos son sólidos y reciben el nombre de sebo. Por ejemplo, el sebo de buey y el de caballo están constituidos básicamente por el triglicérido triestearina, formada por una glicerina y tres ácidos esteáricos. Los triglicéridos carecen de polaridad, por lo que se denominan grasas neutras. 35 BIOLOGÍA Fig. 3.8. Lípidos saponificables simples: Su estructura  Céridos o ceras, se obtienen por la esterificación de un alcohol monovalente de cadena larga y una molécula de ácido graso. Tienen un marcado carácter lipófilo los dos extremos de la molécula. Originan láminas impermeables que protegen la epidermis y las formaciones dérmicas de los animales (pelos, plumas, etc.) y la superficie de muchos órganos vegetales (hojas, tallos y frutas). También se pueden encontrar mezclados con ácidos grasos libres y esteroides, como es el caso de la cera de abeja, el espermaceti de las ballenas, la lanolina o cera protectora de la lana, el cerumen del conducto auditivo, etc. * Lípidos simples complejos. Son ésteres formados por ácidos grasos, un alcohol y un tercer tipo de moléculas. Tienen comportamiento anfipático. En contacto con el agua, los lípidos complejos se dividen en dos grupos:  Los fosfolípidos: A su vez pueden ser:  Fosfoglicéridos, son ésteres formados por dos ácidos grasos, una glicerina, un ácido fosfórico y un aminoalcohol. Estos dos últimos se ionizan y forman el grupo polar. Son moléculas abundantes en el plasmalema de la neurona, -capa superior- externa está la fosfatidilcolina o lecitina (en yema del huevo e hígado) y en su capa 36 BIOLOGÍA inferior interna la fosfatidiletanolamina o cefalina, fosfatidilserina y fosfatidilinositol. La cardiolipina en mitocondrias y cloroplastos.  Fosfoesfingolípidos, son ésteres formados por la unión de un ácido graso, una esfingosina (aminoalcohol de cadena larga), un grupo fosfato y un aminoalcohol: la colina). Su molécula representativa es la esfingomielina –mielina-, se ubica en el plasmalema de neuronas y en vainas de mielina que protegen los axones de las neuronas. Fig. 3.9. Fosfolípido: Estructura Este fosfolípido tiene una cabeza hidrófila (polar) y dos colas hidrófobas (no polares). La diversidad fosfolipídica se basa en diferencias en los dos ácidos grasos y en los grupos unidos al grupo fosfato de la cabeza. Este fosfolípido particular, llamado fosfatidilcolina, tiene unido un grupo colina. La torsión de una de sus colas se debe al doble enlace cis. (Ver fig. 3.9) Glucolípidos. Los glicoesfingolípidos son ésteres formados por la unión de un ácido graso, una esfingosina y un glúcido. Son especialmente abundantes en las neuronas de cerebro. Son abundantes en la cara externa de las membranas. En los botones sinápticos del sistema nervioso actúan como receptores de neurotransmisores. Se diferencian por el glúcido que contienen en los: 37 BIOLOGÍA - Cerebrósidos presentan un único monosacárido o un oligosacárido sencillo de menos de quince monosacáridos. - Gangliósidos presentan un oligosacárido complejo en el cual siempre hay una molécula denominada ácido siálico. * Lípidos insaponificables. No poseen ácidos grasos. Sus tipos son: - Los isoprenoides o terpenos, son moléculas derivadas de la polimerización de una molécula denominada isopreno que es el 2–metil– 1,3–butadieno. Pueden formar cadenas lineales o cíclicas. Según el número de moléculas de isopreno pueden ser:  Monoterpenos. Contienen 2 moléculas de isopreno. Comprenden algunos aceites esenciales como el mentol de la menta, el eucaliptol del eucalipto, el limoneno del limón y el geraniol del geranio.  Diterpenos. Contienen 4 moléculas de isopreno. Son, por ejemplo, el fitol, que es un componente de la clorofila, y las vitaminas A, E y K.  Triterpenos. Contienen 6 moléculas de isopreno. Un ejemplo es el escualeno, a partir del cual se sintetizan el colesterol vegetal.  Tetraterpenos. Contienen 8 moléculas de isopreno. Los encontramos en los pigmentos fotosintéticos, los carotenoides. Estos se dividen en carotenos (de color rojo) y xantofilas (de color amarillo). A partir de una molécula de carotenoides, se forma 2 moléculas de vitamina A.  Politerpenos. Contienen más de 8 moléculas de isopreno. Cabe destacar el caucho, que es un polímero formado por miles de isopreno, dispuestas linealmente, que se obtienen de el árbol Hevea brasiliensis. - Esteroides, derivan del núcleo ciclopentanoperhidrofenantreno. Hay dos tipos: esteroles (el colesterol, los ácidos biliares, el grupo de las vitaminas D, el estradiol) y las hormonas esteroideas (como las hormonas suprarrenales, aldosterona, cortisol y hormonas sexuales, como la testosterona, estrógenos y progesterona). - Prostanglandinas. Son sustancias derivadas del ácido prostanoico, el cual está constituido por un anillo de ciclopentano y dos cadenas alifáticas. Las principales funciones de las prostanglandinas son: estimular los receptores del dolor e iniciar la vasodilatación de los capilares, con aparición de la fiebre (ya que se estimula al hipotálamo), disminuir la presión sanguínea, reducir la secreción gástrica estimulando la musculatura lisa del útero; sus derivados tromboxanos favorecen la agregación plaquetaria. D. Importancia de los lípidos. En base a sus funciones, tenemos:  De reserva energética. Los lípidos son la principal reserva energética del organismo. Un gramo de grasa produce 9,4 kilocalorías, mientras 38 BIOLOGÍA que las proteínas y los glúcidos tan solo producen 4,1 kcal/g. Esta función la realizan los acilglicéridos.  Estructural, al formar parte de las bicapas lipídicas de las membranas celulares.  Protectora, por los acilglicéridos recubren los órganos para protegerlos de los golpes; las ceras recubren la superficie de la piel, las frutas, las plumas y las grasas, y actúan como aislantes térmicos.  Reguladora, gracias a las vitaminas lipídicas, hormonas lipídicas y prostanglandinas.  Emulsificante, gracias a los ácidos y sales biliares.  Aislante térmico y mecánico. 4. PROTEÍNAS 4.1. Aminoácidos. Son las unidades estructurales de las proteínas. Presentan un grupo carboxilo (–COOH) y un grupo amino (–NH2), unidos al mismo carbono, el llamado carbono α, y por ello se denominan aminoácidos de tipo α. Las otras dos valencias del carbono se saturan con un átomo de H y con un grupo variable llamado radical R, por el cual los aminoácidos se pueden clasificar en polares, apolares, alifáticos, aromáticos, azufrados (metionina y cisteína), etc. A) Propiedades de los aminoácidos.  Son de bajo peso molecular y solubles en agua.  Son sólidos, cristalinos, y con un punto de fusión elevado.  Son anfóteros, es decir se comportan como ácido o como base, manteniendo de esta manera constante el pH (efecto amortiguador). Punto isoeléctrico, es el pH en el cual un aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra, con tantas cargas positivas como negativas.  Son ópticamente activos, excepto la glicina o glicocola, por presentar carbono α asimétrico, ya que está enlazado a cuatro radicales diferentes: un grupo amino, un grupo carboxilo, un radical R y un hidrógeno. Es decir, son capaces de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos. Si un aminoácido desvía el plano de luz polarizada a la derecha, se denomina dextrógira o ( + ), y si lo hace hacia la izquierda, levógiro o ( – ).  Se unen por enlace peptídico, y las cadenas que se forman se denominan péptidos. Cuando los aminoácidos enlazados son dos, la cadena se denomina dipéptido, si son tres, tripéptido, etc. Si son menos de diez, se denominan oligopéptido, y si son más de diez, reciben el nombre de polipéptido. 39 BIOLOGÍA Fig. 4.1 Dipéptido con en enlace péptídico B. Clasificación de los aminoácidos. Según la necesidad en la dieta son: * Esenciales Las células animales no son capaces de sintetizar varios tipos de aminoácidos. Los que no pueden sintetizar reciben el nombre de aminoácidos esenciales y han de ser ingeridos en la dieta. Los seres humanos tenemos ocho aminoácidos esenciales: Isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Pero en el caso de los neonatos y personas de la tercera edad o convalecientes de un proceso quirúrgico necesita 10 aminoácidos: Los 8 aminoácidos mencionados anteriormente más 2: la histidina y la arginina. * No esenciales. Son sintetizados por el organismo, porque también son necesarios por formar parte de las proteínas a ser sintetizadas. C. Clasificación de las proteínas Si la proteína está constituida exclusivamente por aminoácidos, se denomina homoproteína (filamentosasa y globulares). Cuando, además de aminoácidos, presenta algún otro tipo de molécula, reciben el nombre de heteroproteína. Las proteínas filamentosas. Insolubles en agua, son las siguientes. 40 BIOLOGÍA Colágenos Se encuentran en tejido conjuntivo, cartilaginoso, tegumentarios. α-queratinas Se encuentran en formaciones epidérmicas: cabellos, uñas, lana, cuernos, pelos, plumas, etc. Elastinas Se encuentran en tendones y vasos sanguíneos. β-queratinas Se encuentran en los hilos de seda (fibroínas). Proteínas globulares. Generalmente, son solubles en agua. Ejemplos: Protaminas Solubles en agua. Se encuentran asociadas al ADN en los espermatozoides. Histonas Solubles en agua. Están asociadas al ADN del núcleo (excepto del espermatozoide). Prolaminas Insolubles en agua. Se encuentran en semillas veegetales, como la zeína del trigo, la gliadina del trigo y la ordeína de la cébada. Gluteninas Insolubles en agua, pero solubles en ácidos y bases diluidas. Son ejemplos la orizenina del arroz y la glutenina del trigo. Albúminas Solubles en agua. Pertenecen a este grupo la seroalbúmina de la sangre, la ovoalbúmina del huevo, la lactoalbumina de la leche y la globina que forma parte de la hemoglobina. Globulinas Solubles en disoluciones salinas. Ej.,ovoglobulina del huevo, la lactoglobulina de la leche y seroglobulinas de la sangre; la α- globulina, que se unena a la hemoglobina y γ-globulinas o inmunoglobulinas, que constituyen los anticuerpos. Las heteroproteínas. Son moléculas formadas por la unión de un grupo proteico con otra no proteica, denominada grupo prostético. Según sea el grupo prostético, las heteroproteínas se clasifican en: Hemoglobina Porfirinas Mioglobina Cromoproteínas Catalasa Citocromos No porfirinas Hemocianina Hemeritrina Glucoproteínas Glucoproteínas de membrana, hormona estimulante del folículo, hormona luteinizante, etc. Lipoproteínas Quilomicrones, lipoproteínas sanguíneas. Fosfoproteínas Caseína, vitelina. Nucleoproteínas Asociaciones ADN-histonas - Cromoproteínas. Tienen como grupo prostético una sustancia con color, por ello también reciben el nombre de pigmentos. Según la naturaleza del grupo prostético, se dividen en: 41 BIOLOGÍA  Pigmentos porfirínicos. Son los que tienen como grupo prostético a una porfirina, es decir, un anillo tetrapirrólico. Al centro de este anillo hay un catión metálico. Si se trata de un catión ferroso (Fe+2), la porfirina se denomina grupo hemo. Tienen el grupo hemo la hemoglobina, encargada de transportar el oxígeno a la sangre, y la mioglobina, que ejerce la misma función en los músculos. En algunas moléculas, como los citocromos, el ión ferroso (Fe +3) y este ión, a su vez, se puede reducir.  Pigmentos no porfirínicos. Son los pigmentos que tienen un grupo prostético diferente a la porfirina. Por ejemplo, la hemocianina, pigmento respiratorio que contiene cobre y que se encuentra en crustáceos y moluscos. - Glucoproteínas. Son las que tienen como grupo prostético moléculas de glúcidos como la glucosa, la galactosa, etc. Por ejemplo:  La hormona estimulante de los folículos (FSH) y la hormona estimulante de la tiroides (TSH).  Los proteoglucanos, que se encuentran en los huesos y cartílagos.  Las glicoproteínas sanguíneas, por ejemplo, la protrombina.  Las inmunoglobulinas.  Las glucoproteínas de las membranas celulares.  Algunas enzimas como las ribonucleasas. - Lipoproteínas. Son las heteroproteínas que tienen ácidos grasos como grupo prostético. Ej., las lipoproteínas sanguíneas, que se encargan de transportar lípidos. - Fosfoproteínas. Son heteroproteínas con ácido fosfórico (H3PO4) como grupo prostético. Pertenecen a este grupo: la caseína, de la leche y la vitelina que se encuentra en la clara de los huevos. - Nucleoproteínas. Son las heteroproteínas que tiene un ácido nucléico como grupo prostético. Ej., las histonas on moléculas de ácido desoxirribonucléico que forman las fibras de cromatina del núcleo celular. D. Funciones de las proteínas - Estructural: como las queratinas de las formaciones dérmicas, la elastina de los tejidos reticulares y el colágeno del tejido conectivo. - Reserva: como la ovoalbúmina de la clara de huevo, la caseína de la leche, la zeína y gliadina del trigo. - Transporte: Las permeasas, regulan el paso de moléculas a través de la membrana celular y los pigmentos respiratorios (hemoglobina, hemeritrina, hemocianina, etc.), la transferrina que transporta hierro y las lipoproteínas. 42 BIOLOGÍA - Enzimática: Favorecen las reacciones bioquímicas. Por ejemplo se pueden mencionar: la maltasa, lipasa, tripsina, ribonucleasa y catalasa. - Hormonal: como la insulina del páncreas, la tiroxina de la tiroides y la hormona de crecimiento de la hipófisis. - Defensa: como las inmunoglobulinas o anticuerpos (defensas). - Contráctil: como la actina y la miosina de las fibras musculares. - Homeóstatica: Algunas proteínas sanguíneas participan en la regulación del pH gracias a la capacidad amortiguadora que tienen. También se mencionas la trombina y fibrinógeno que participan en la coagulación de la sangre cuando se produce una herida. - Reguladora: Coordinan la realización de diferentes procesos biológicos. - De reconocimiento o presentación de antígenos: El complejo mayor de histocompatibilidad relacionados con los injertos y el rechazo. 5. ENZIMAS Son proteínas; que se necesitan en pequeñísimas cantidades; con acción catalítica al acelerar las reacciones y disminuyen la energía de activación. A) Estructura  Más del 90% de las enzimas son proteínas globulares; que tienen de 62 2500 aminoácidos, con estructura única, con propiedades únicas.  Sus actividades vienen determinadas por su estructura tridimensional, que está determinada por la secuencia de aminoácidos.  La estructura determina la función. Solo su centro activo de la enzima su centro activo de 3-4 aminoácidos está involucrada en la catálisis.  Pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios en el proceso de catálisis, o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática.  A la parte proteica sin el cofactor se le llama apoenzima, y al complejo enzima-cofactor: holoenzima. Fig. 5.1 Enzimas conjugadas: Fig. 5.2. Enzima: El sustrato se liga al Su estructura centro activo; luego, se obtiene productos 43 BIOLOGÍA  Se componen de una cadena lineal de aminoácidos que se pliegan durante el proceso de traducción para dar lugar a una estructura terciaria tridimensional de la enzima, susceptible de presentar actividad.  La mayoría de las enzimas, se desnaturalizan al ser sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pHs extremos o ciertos compuestos que destruyen su estructura terciaria; mermando de su capacidad de acción enzimática. Son solubles en agua.  Una enzima puede estar asociada a sustancias no proteicas para ejercer su actividad en condiciones óptimas, estas sustancias son los cofactores y estos pueden ser iones metálicos (ej. activadores) o compuestos orgánicos: la coenzima unidos fuerte (ej. unido a la niacina (vit. B3) o débilmente a la fracción proteica. Cuando el cofactor se encuentra fuertemente unido a la estructura proteica se denomina grupo prostético, como por ejemplo: el grupo hemo de la hemoglobina.  Existen enzimas que se sintetizan en forma de un precursor inactivo llamado proenzima. B. Importancia: Las enzimas son importantes porque:  Disminuyen la energía de activación, permitiendo acelerar todo tipo de reacciones químicas, ya que estas son muy lentas y requieren de mucha más energía.  Son esenciales en mucho de los procesos necesarios para la vida por ejemplo: digerir alimentos, regenerar tejido, degradar sustancias. El peróxido de hidrógeno (H2O2) es muy toxica para las células, una enzima denominada catalasa se encarga de descomponer tal compuesto y obtener oxígeno (O2) y agua (H2O), siendo estas no tóxicas para nuestro organismo y para las células * La determinación de los niveles enzimáticos en plasma y tejidos y/o de los niveles de sustrato en el individuo enfermo constituye una valiosa información para el diagnóstico de enfermedades. * Los niveles normales plasmáticos de enzimas reflejan un equlibrio entre la liberación de enzimas durante el ciclo celular normal y su catabolismo y excreción pero una modificación refleja cambios producidos en un tejido u órganos; por ello, se usan para detectar y localizar daño o proliferación celular; por ejemplo son muy útiles su uso en enfermedades genéticas por que son determinantes. 6. VITAMINAS. Son compuestos orgánicos de naturaleza química variable y lábil; son esenciales en el metabolismo; funciones muy específicas. Clasificación: 44 BIOLOGÍA Por su solubilidad, se clasifican en:vitaminas liposolubles (K, A, D, E) y vitaminas hidrosolubles: Complejo B y C. VITAMINA FUNCIÓN CARENCIA SIGNOS Y SÍNTOMAS Síntesis de Anemia Desarrollo anormal Vitamina B9 o metionina, megaloblástica del tubo neural Ácido fólico purinas Vitamina B12 o Coenzima para Anemia Desmielinización Cobalamina la síntesis de perniciosa axonal succinil CoA Vitamina C o Antioxidante y Escorbuto Encías ácido ascórbico coenzima. Inflamadas Vitamina B6 o Coenzima Poco frecuente Glositis y Piridoxina Neuropatía Coenzima de la Beriberi Taquicardia, Vitamina B1 o Piruvato Síndrome de convulsiones, Tiamina deshidrogenasa Wernicke-Korsakoff pérdida de memoria Transferencia Pelagra (Triple D) Dermatitis, Vitamina B3 o de electrones diarrea y Niacina demencia Vitamina B2 o Transferencia Poco frecuente Glositis, seborrea, rivoflavina de electrones quelitis angular “boquera”. Biotina o vit. B8 Rx.carboxilación Poco frecuente Anorexia, vómitos, dermatitis, etc. Debilidad muscular, Vitamina B5 o Transportador ác pantoténico Poco frecuente parestesia: de acilos sensasión de hormigueo en pie o mano. Vitamina A o Manteniemiento Impotencia Sequedad de la retinol (al) reproducción. Ceguera nocturna Córnea Visión Xeroftalmia Vitamina D Captación de Raquitismo (niños) Huesos blandos, calcio Osteomalacia Dúctiles (adultos) Vitamina K o Participa en Recién nacido Hemorragia Antihemorrágica procesos de Poco frecuente en coagulación Adultos Vitamina E o Antioxidante Poco frecuente Anemia hemolítica Tocoferol 45 BIOLOGÍA 7. ÁCIDOS NUCLÉICOS 7.1 Estructura de los ácidos nucleicos Son biomoléculas quinarias (C, H, O, N y P) de carácter ácido y que se descubrieron al interior del núcleo de las células eucariotas. Luego, se descubrió que contienen cuatro tipos de moléculas de carácter básico y ricas en nitrógeno, llamadas bases nitrogenadas. Estas reciben el nombre de adenina (A), guanina (G), citosina (C), tiamina (T) y uracilo (U. La adenina y guanina son bases púricas. La citosina, timina y uracilo, son bases pirimídicas. También tienen una pentosa, que puede ser la ribosa o la 2-desoxirribosa pero nunca las dos a la vez. El nombre 2-desoxirribosa hace referencia a que es una ribosa a la cual le falta un grupo hidroxilo (– OH) en el segundo carbono. Fig.7.1. Componentes de un nucleósido Según la pentosa que contienen, se distinguen dos tipos de ácidos nucleicos: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucléico (ADN). Otra diferencia entre ambos es que el ARN nunca presenta timina sino que en su lugar está la base pirimídica uracilo. Los ácidos nucleicos se pueden escindir en unas unidades constituidas, cada una de ellas por ácido fosfórico, una ribosa o una desoxirribosa y una base nitrogenada, denominadas nucleótidos. Si a un nucleótido le falta su grupo fosfato recibe el nombre de nucleósido. 46 BIOLOGÍA Nucleósidos. Se forman por medio de la unión de una ribosa o una desoxirribosa con una base nitrogenada, mediante un enlace N- glicosídico entre el carbono 1’ de la pentosa y el nitrógeno 1’ de la base nitrogenada, si ésta es pirimídica, o el nitrógeno 9, si es una base púrica. Los nucleósidos se denominan añadiendo la terminación –osina al nombre de la base púrica, o la terminación –idina añadiendo para el caso las bases pirimídicas. Por eso los nombres de los nucleósidos con ribosa son adenosina, guanosina, citidina y uridina. Si la pentosa es la desoxirribosa se, antepone el prefijo desoxi-. Así los nombres de estos nucleósidos son: desoxiadenosina, desoxiguanosina, desoxicitidina y desoxitimidina. Fig. 7.2. Cadena de nucleótidos  Los Nucleótidos. Se forman por la unión de un nucleósido y un ácido fosfórico, por medio de un enlace entre el grupo hidroxilo del quinto carbono de la pentosa y el ácido fosfórico. Este enlace recibe el nombre de enlace fosfomonoéster. Los nucleótidos tienen un fuerte carácter ácido a causa de su grupo fosfato, que se ioniza. Los nucleótidos se denominan añadiendo al nombre del nucleósido el término 5’monofosfato. En la práctica se suele emplear simplemente la inicial de cada base nitrogenada (A, G, C, T y U) para referirse a cada tipo de nucleótido. 47 BIOLOGÍA 7.2. Tipos de ácidos nucleicos. A) Acido desoxirribonucleico. El ADN está formado, excepto en algunos virus, por dos cadenas de nucleótidos enrrollados entre si formando una doble hélice. Cada cadena es un polímero de desoxirribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina, sintetizada desde el extremo 5’ hacia el extremo 3’ En las células eucariotas, el ADN se encuentra principalmente en el núcleo pero también está en las mitocondrias y en los cloroplastos). El ADN nuclear está asociado a proteínas básicas llamadas histonas y a una pequeña cantidad de un grupo heterogéneo de proteínas denominadas proteínas no histónicas. Esta asociación se conoce como fibra de cromatina. Fig. 2.15. Estructura del ADN B) El Ácido Ribonucleico. El ARN está constituído por ribonucleótidos de ribosa, con las bases adenina, guanina, citosina y uracilo. No tiene timina como el ADN. En sentido 5’3’, igual que en el ADN. A diferencia de 48 BIOLOGÍA este el ARN es casi siempre monocatenario, excepto el de los ribovirus, que es bicatenario. El ARN se encuentra en muchos tipos de virus y en las células procariotas y eucariotas. En los eucariotas, hay cinco veces más ARN que ADN. El

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