Resumen de Biología PDF (Grado en Ingeniería de Materiales)

Biología Resumen de la asignatura completa. Grado en ingeniería de Materiales Curso 2019/2020 Tema 1: Introducción a la asignatura 2 Tema 2: Fundamentos químicos...

Biología Resumen de la asignatura completa. Grado en ingeniería de Materiales Curso 2019/2020 Tema 1: Introducción a la asignatura 2 Tema 2: Fundamentos químicos 4 Tema 3: El agua: Importancia para los seres vivos. 8 Tema 4: Compuestos orgánicos: Macromoléculas. Estructura y función. 13 Tema 5: Metabolismo 20 Tema 6: La célula (I): Componentes 24 Tema 7: La célula (II): Citoesqueleto y pared celular. Conexión entre células. 30 Tema 8: Estructura y función de las membranas celulares 35 Tema 9: Respiración celular 41 Tema 10: Fotosíntesis 45 Tema 11: División y muerte de las células 52 Tema 12: Introducción a la genética: Conceptos básicos. 57 Tema 13: Introducción a la genética: Bases moleculares. 59 Tema 14: Procariontes 62 Tema 15: Tejidos vegetales (I) 64 Tema 16: Tejido vegetales (II). Xilema: Estructura y función 68 Tema 17: Tejidos vegetales (III): Floema, estructura y función. 71 Tema 18: Las hormonas vegetales 74 Tema 19: Lípidos y metabolitos secundarios 77 Tema 20: Diferenciación celular y tipos de tejidos. Parte A. 80 Tema 20: Diferenciación celular y tipos de tejidos. Parte B. 84 Tema 21: Homeostasis 88 Tema 22: Coordinación: Señales químicas e impulsos nerviosos 91 Preguntas cuestionarios Socrative: 95 Cuestionario tema 7 95 Cuestionario tema 8 y 9 96 Cuestionario tema 10: 98 Cuestionario Temas 11 y 12 100 Cuestionario temas 13 y 14 102 1 Tema 1: Introducción a la asignatura La biología es la ciencia que estudia la vida. Los seres vivos se estudian a distintos niveles, desde el molecular hasta los más grandes ecosistemas. Los seres vivos nacen, crecen, se desarrollan, se reproducen y mueren. Son capaces de responder a estímulos del medio: Esto se hace mediante la aclimatación, la adaptación y la evolución, dando lugar a la biodiversidad. Distintas disciplinas se ocupan del estudio de los seres vivos a distintos niveles. Por ejemplo, la citología es la parte de la biología que se ocupa del estudio de la célula y la histología del estudio de los tejidos. Genética, genómica y proteómica estudia la herencia, la transmisión de información de una generación a la siguiente y la utilización de la información genética para la síntesis ordenada de proteínas, imprescindible para el correcto funcionamiento y la supervivencia de todas la células del organismo. La anatomía y la morfología estudia la estructura de los distintos órganos que componen un organismo mientras que la fisiología estudia su funcionamiento (anatomía, morfología y fisiología están estrechamente relacionadas, ya que a todos los niveles de estudio en Biología la forma se ajusta a la función. Por esta razón para poder imitar un material biológico o fabricar un material no biológico para utilizarlo como prótesis o injerto en un ser vivo debemos tener conocimiento no solo de su estructura sino también de su función). A nivel de organismo, la botánica estudia las plantas, la zoología estudia los animales, la entomología a los insectos... La bioingeniería es el uso de los métodos ingenieriles, por, para y con los seres vivos. La biología trata el estudio de los seres vivos a todos los niveles desde los orgánulos hasta grandes organismos pluricelulares. Los biomateriales son aquellos que se utilizan para tratar, corregir o reemplazar tejidos, órganos o funciones en el cuerpo. Se usan, por ejemplo, para la reparación de córneas, que ayuda la gente a recuperar la visión. Esto se hace mediante la ingeniería de tejidos. Otros ejemplos son, piernas protésicas, válvulas del corazón artificiales… Los materiales biológicos son aquellos que proceden de un ser vivo. Por ejemplo la tela de araña, o la quitina. En muchos de los casos se utiliza la naturaleza como modelo, por ejemplo con el velcro, con la aerodinámica o con la iridiscencia. El biomimetismo (uso de la naturaleza como modelo) es el proceso mediante el cual un ser vivo hace que se parezca a otro para sobrevivir. En la ingeniería se utiliza para imitar partes de animales y plantas para obtener un mayor beneficio, como por ejemplo con las córneas de las moscas con forma punteada. Un ejemplo de biomimetismo es el velcro. Otro ejemplo más es la iridiscencia: que es cambiar el color de un objeto según el ángulo de incidencia de la luz. Esto se usa para evitar falsificaciones en billetes, monedas, tarjetas de crédito... ¿Qué propiedades son características de los seres vivos? 1. Los seres vivos realizan las funciones vitales: nacen, crecen, se reproducen y mueren. Esto viene controlado por la información genética que tienen (ADN) y como se usa esa información (viene determinado por el ambiente donde estén). El ciclo vital es la serie de cambios que experimentan los seres vivos a lo largo de su vida. Se desarrolla bajo control de la información genética que poseen todas las células que forman el ser vivo. La célula es la unidad fundamental, estructural y funcional de la que están formados los seres vivos. 2. Los seres vivos son capaces de responder a estímulos ambientales mediante: 2  a. Aclimatación: es la respuesta de un organismo al verse en un ambiente particular. Esto se puede producir mediante cambios reversibles (elásticos) o cambios irreversibles (plásticos). b. Adaptación: Adquieren capacidades heredables. Estos mejoran las capacidades de reproducción y supervivencia. Producen cambios en el genotipo. La suma de estos dos sucesos son las causas de la evolución. La evolución son los cambios en la composición genética de una población tras sucesivas generaciones. Aclimatación: cambios en un organismo en respuesta a estímulos ambientales. Por ejemplo el cierre estomático, cambios morfológicos o la defoliación precoz. Un ejemplo de aclimatación es la apertura y el cierre de los estomas en las hojas de las plantas. Lo hacen dependiendo de la cantidad de agua que hay en la atmósfera y en el suelo a cada momento. Otro ejemplo es la defoliación precoz, es cuando los árboles tiran las hojas en verano para evitar la transpiración. Adaptación: Es el proceso por el que los organismos adquieren un conjunto de características heredables que mejoran la capacidad de supervivencia y reproducción en determinados ambientes. En animales, por ejemplo el mimetismo, o tener colores llamativos para infundir el miedo. La evolución son los cambios en la composición genética de una población tras sucesivas generaciones. La diversidad es el número de especies que hay. La taxonomía es la rama de la biología que se ocupa de nombrar y clasificar las especies. La taxonomía es la rama de la biología que se ocupa de nombrar y de clasificar a las especies. La evolución necesita: descendencia y modificación. La evolución se da por selección natural, que favorece la diversidad de la descendencia, la heredabilidad de caracteres, la sobreproducción de descendientes y la supervivencia de los mejor adaptados. Dominio → Reino → División → Clase → Orden → Familia → Género → Especie Eukarya → Animalia/Fungi/Plantae → Chordata/Echinodermata → Carnivora → Ursidae → Ursus → Ursus americanus Dentro de una misma especie puede haber subespecies. Por ejemplo el Ursus arctos horribilis y el Ursus arctos middendorffi. Que son dos especies del Ursus arctos (oso pardo). Dominio: Eukarya Reino: Animalia División: Chordata Clase: Mammalia Orden: Carnivora Familia: Ursidae Género: Ursus Especie: Ursus americanus 3. 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 vive. Se puede considerar a cada ser vivo como un ‘’sistema biológico abierto’’. Un sistema es simplemente una combinación de componentes que funcionan de forma conjunta. Un sistema biológico puede ser una célula, una rana o un hormiguero. Vivir supone nacer, crecer, reproducirse; todas estas actividades son trabajo y para llevarlas a cabo los seres vivos necesitan energía que procede, en último término, del sol. El funcionamiento de cualquier ecosistema (es el conjunto de todos los seres vivos que habitan en un terreno y los factores abióticos con los que interaccionan) se basa en dos procesos fundamentales: El ciclo del agua y nutrientes y un flujo 3  unidireccional de energía, desde el sol hacia los productores primarios y de estos a los consumidores de distinto orden. El ciclo hidrológico se inicia con los procesos de condensación y precipitación. El agua de lluvia es absorbida por las raíces de las plantas y es devuelta a la atmósfera por medio del proceso de transpiración. El ciclo de nutrientes se inicia en el suelo, de donde las raíces de las plantas absorben diversos elementos minerales disueltos en agua. Estos elementos minerales se incorporan al cuerpo de la planta, formando aminoácidos, proteínas, lípidos etc y serán devueltos al suelo por distintos procesos: el lavado de nutrientes de las hojas (en caso de lluvias intensas) el desfronde (caída de hojas y ramillos) y la muerte de la planta. Los animales también forman parte del ciclo: incorporan elementos minerales a su propio cuerpo a través de la alimentación y los devuelven al suelo a través de la excreción y de la propia muerte del organismo. A diferencia de lo que sucede con el agua y los nutrientes, la energía fluye, no se recicla. Una parte de la energía luminosa que entra en el ecosistema se transforma en energía química (mediante el proceso de fotosíntesis). A su vez, la energía química se puede transformar en energía cinética (cualquier animal que se desplaza), lumínica (seres vivos que muestran bioluminiscencia) o calorífica. La energía sale del ecosistema fundamentalmente en forma de calor, que se disipa en la atmósfera 4. Los seres vivos son capaces de autorregularse mediante procesos de retroalimentación o feedback. Estos procesos pueden ser positivos o negativos. Mediante el uso de enzimas en la síntesis de compuestos se pueden controlar. Las enzimas sirven para que las reacciones vayan más o menos rápidas. La retroalimentación negativa trata de que cuando haya producto en exceso se pare la reacción (o se ralentice mucho, lo que a efectos prácticos, es lo mismo). Un ejemplo de retroalimentación positiva es la coagulación de la sangre. 5. Los seres vivos son estructuras jerarquizadas, es decir, formados por distintos niveles de organización. Célula, tejidos, órganos… Según se va ascendiendo van apareciendo propiedades nuevas que no se encontraban en el nivel anterior. Las nuevas propiedades sirven para la fisiología y para adaptación al medio. Por ejemplo, las hojas con los pigmentos, clorofilas, cloroplastos, células vegetales, mesófilo (tejido que hay en las hojas), hojas. Dependiendo de la estructura, forma, color… de la hoja puede cambiar la planta entera, favoreciendo los procesos de adaptación. Hay una relación, a todos los niveles, entre estructura y función. Por ejemplo una neurona es muy diferente a como es una célula epitelial. La células es la unidad fundamental de la que se componen los seres vivos. En la célula se encuentra la información genética, las eucariotas en el núcleo y las procariotas en el nucleótido. Las células tienen todas la misma información genética para tener diferenciación genética para especializarse. 4 Tema 2: Fundamentos químicos La biología es la ciencia que estudia la vida. Los seres vivos son el objeto de estudio de la biología. Los organismos están formados por células que están formadas por moléculas. En los seres vivos hay unos 25 elementos esenciales para la vida. Los seres vivos están formados por materia, que a su vez es el resultado de agrupar elementos esenciales y sus combinaciones, denominadas compuestos. Los elementos esenciales son aquellos que se necesitan para que se de la vida. De los 92 elementos de la tabla periódica (depende pero aprox) 25 se consideran esenciales. C,H,O,N forman el 95-96% del organismo de los seres vivos. En el cuerpo de animales y plantas encontramos los elementos esenciales para el funcionamiento del organismo, pero también elementos no esenciales o incluso tóxicos. En los humanos CHON es el 96%; luego hay elementos como el Ca, P, K, S, Na… que están en unos 4% y otros elementos en menor cantidad del 0,01%. Las plantas incorporan elementos minerales a la biosfera mediante un proceso que se puede calificar como relativamente selectivo. No termina de ser 100% selectiva porque absorbe de todo, aunque sea tóxico, pero favorece la entrada de lo que necesita y depende de lo que haya en el suelo. La cantidad de nutrientes se regula o por demanda o por disponibilidad. Cuando hay escasez de un recurso se absorbe en excedente para que no falte en otro momento y no se lo quite otra planta. Lo que se consume con la única intención de acumular se conoce como consumo de lujo. Tienen 13 nutrientes minerales esenciales que se dividen en macronutrientes y micronutrientes. En las plantas CHO es más del 96% del total. Y luego hay macronutrientes, que son N, P, K, S, Ca, Mg en más de un 1% y micronutrientes, como el B, Cu, Cl… que representan menos del 0,01%. Obtienen el CHO del CO​2​ y del agua. Los compuestos minerales son incorporados a los seres vivos principalmente por las plantas. Los iones tienen mucha dificultad para entrar en las células, por lo tanto este tipo de compuestos no entran de primeras. Las células tienen que facilitar su entrada. La forma, tamaño y distribución de cargas dentro de una molécula condiciona su funcionamiento biológico. Los canales en las membranas pueden ser muy específicos o no, dependiendo de cuánto o de qué se quiera absorber. C, H y O se obtienen del CO​2 y del agua, mientras que N y el resto de elementos necesarios para la vida se obtienen del suelo. A largo plazo las bacterias fijadoras de N​2​ proporcionan una importante fuente de nitrógeno a las plantas. La materia orgánica que cae muerta al suelo se descompone a partículas absorbibles por el resto de plantas. En el ciclo de los nutrientes hay algunas pérdidas, pero se compensa gracias a la piedra madre, salvo en el caso del nitrógeno ya que no está en la composición de la roca madre. El nitrógeno se obtiene de la atmósfera. El suelo está compuesto por materia orgánica, roca madre y productos de la atmósfera (que llegan al suelo mediante la precipitación, estando disueltos en las gotas de agua). Las bacterias fijadoras utilizan enzimas para producir el N​2​, las plantas no pueden sintetizarlas (la enzima se llama nitrogenasa). Se puede replicar este proceso de manera industrial, mediante el método Haber-Bosch, donde hay que usar presiones y temperaturas altas. 5 Las bacterias capaces de realizar la fijación biológica del nitrógeno atmosférico se encuentran libres en el suelo o bien asociadas en simbiosis a las raíces de algunas plantas. No todas las plantas son capaces de establecer esta simbiosis (por ejemplo, sí que pueden hacer la simbiosis las plantas de la familia ​Fabaceae, q ​ ue son las legumbres). Las plantas proporcionan el ATP (adenosín tri fosfato), los carbohidratos y los nutrientes; mientras que las bacterias proporcionan el nitrógeno para formar NH​3​ y ADP. N​2​ + 8e + 8H + 16 ATP → 2 NH​3​ + H​2​ + 16 ADP + 16P El proceso se realiza a temperatura ambiente (Es decir, a la temperatura a la que se encuentre el suelo) y a presión atmosférica. Las bacterias están en condiciones anaeróbicas, es decir, sin oxígeno. Se requiere LEG Hemoglobina para eliminar el oxígeno que hay. La carencia de elementos esenciales produce una disminución del crecimiento y la aparición de una sintomatología propia. El exceso de los elementos minerales también puede ser tóxico para los organismos vivos. La fitorremediación es usar plantas para descontaminar suelos contaminados con metales pesados. Estas plantas se conocen como hiperacumuladoras, a parte de metales pesados pueden acumular otros elementos contaminantes en las vacuolas de las células que forman sus tejidos. Una enzima es una molécula orgánica que actúa como catalizador. Las enzimas permanecen inalteradas, es decir, que no se consumen. Muchos de los nutrientes vienen del suelo, pero puede haber carencia o puede haber una acumulación en exceso dentro de la planta, siendo tóxico si hubiere mucha concentración. La tolerancia de micronutrientes es mucho menor que la tolerancia de macronutrientes. El consumo de lujo se produce cuando una mayor cantidad de un macronutriente no mejora las capacidades de la planta, entonces se entiende que solo lo acumula. Siempre que la concentración de un nutriente sea inferior a la óptima, el crecimiento será también inferior al máximo. Los macronutrientes y micronutrientes muestran distintas curvas de respuesta al aumento de la concentración en planta. El contenido óptimo (concentración crítica es aquella para la que, al descender la concentración del nutriente en la planta, desciende también el crecimiento), es siempre menor para los micronutrientes, que además muestran normalmente una gran sensibilidad al aumento de la concentración por encima del valor crítico. El descenso del crecimiento al acumularse cualquier nutriente indica toxicidad. Es más fácil que se produzca toxicidad por exceso de micronutrientes que por macronutrientes, aunque pocas plantas (solo las nitrófilas) soportan un exceso de nitrógeno en el suelo. Distintos elementos pueden ser tóxicos a distintas concentraciones, tanto en plantas como en animales. Esto es muy importante para determinar si es biocompatible un biomaterial. Todos os elementos son tóxicos a partir de la concentración crítica. Hay plantas las que prefieren suelos ricos en ciertos minerales o elementos, esto permite identificar sitios donde hay gran cantidad de ellos para su explotación, algunos ejemplos de estos son: - Nitrofilia: ortigas; Zn: ​Thlaspi caerulescens​; Ni: ​Alyssum bertolonis El amonio y el amoniaco son dos compuestos tóxicos con poca concentración, por lo que los organismos estamos preparados para no aceptarlos (por eso no nos gusta el olor a ellos). 6 Las plantas nitrófilas están adaptadas para sobrevivir en suelos ricos en nitrógeno. Las plantas halófitas están adaptadas para sobrevivir en ambientes salinos. Tanto el exceso de nitrógeno como el exceso de sal resultan tóxicos para especies no adaptadas. Las propiedades de un elemento dependen de las características del átomo. El número de protones define el elemento. La variación del número de neutrones es lo que diferencia los isótopos. La distribución de los electrones dentro de los orbitales determina su energía potencial, en función de la distancia al núcleo. La absorción de energía luminosa puede excitar un electrón en una molécula hasta un nivel superior de energía potencial. Este es el primer paso en la transformación de la energía luminosa en energía química a través de fotosíntesis. Los pigmentos son sustancias que absorben selectivamente luz de distintas longitudes de onda. La mayoría de los animales posee fotorreceptores que utilizan pigmentos para absorber energía luminosa. En el caso de los humanos por ejemplo son los conos y bastoncillos en los ojos, los pigmentos que hay en ellos nos permiten diferenciar los colores. La fotosíntesis es la excitación de un electrón gracias a la energía emitida por el sol. Se absorbe cierta luz de longitud de onda concreta, por eso se ve verde; esto ocurre por los pigmentos que hay dentro de los cloroplastos. La mayoría de los fotorreceptores utilizan pigmentos para absorber distintas longitudes de onda. Los isótopos de un elemento se diferencian entre sí en el número de neutrones pero todos tienen igual número de protones y de electrones. Los isótopos tienen importancia biológica, por ejemplo el carbono tiene ​12​C, ​13​C y ​14​C. Este último es un compuesto radiactivo que se utiliza para conocer la edad aproximada de fósiles, también sirve para localizar zonas del cuerpo con gran actividad química (tumores por ejemplo). Se inyecta al paciente una solución nutritiva formada con un isótopo radioactivo, que por su propia naturaleza emite partículas subatómicas. Estas chocan con electrones procedentes de reacciones metabólicas. El escáner detecta la energía liberada por estos choques, que será mayor en zonas con mayor actividad. El ​12​C y ​13​C, son isótopos estables, principalmente el ​12​C se encuentra en el CO​2​. Las plantas C​3 discriminan el carbono 13 al incorporar el CO​2 atmosférico a su estructura. Pero no lo rechaza del todo. Esto, entre otras cosas, permite identificar diferentes fases climáticas que hubo en la zona durante la vida de la planta. La Carboxilación es el proceso en el que el CO​2 atmosférico se incorpora a una molécula presente en la planta. Es una acción catalizada por una enzima. La discriminación contra el isótopo más pesado se produce precisamente porque la enzima RUBISCO es capaz de diferenciar entre los dos isótopos y muestra preferencia por el más ligero. En general las enzimas son altamente específicas y son capaces de diferenciar sus sustratos (moléculas con las que trabajan) entre otros extraordinariamente parecidos. Son un buen ejemplo del principio de ‘’la forma se ajusta a la función’’ ya que la afinidad enzima-sustrato se basa en el encaje perfecto del sustrato en una zona de la enzima que se denomina ‘’sitio activo’’ (como si fuese un puzzle). La Pep Carboxilasa, que es la enzima que tienen las plantas C​4 para hacer la carboxilación, no discrimina los tipos de carbono. La mayoría de las especies vegetales presentan un metabolismo C​3​. La fijación del CO​2 atmosférico en este tipo de plantas se realiza por una acción catalizada por Rubisco, que es la proteína más abundante de la naturaleza. Rubisco 7 discrimina al isótopo más pesado, por tanto al comparar la composición de tejidos de plantas C3 y plantas C4 sale que la C4 tiene mucho más ​13​C. Todas las enzimas son muy rápidas (la que más es la catalasa), pero Rubisco es de las ‘’lentas’’, por lo que la concentración de Rubisco es relativamente alta, haciendo que sea la proteína más abundante en la naturaleza. Las plantas C4 usan Pep Carboxilasa mientras que las C3 usan la Rubisco. La diferencia entre el C3 y el C4 es la forma del tejido mesófilo, que es el tejido que hay dentro de las hojas. Las plantas C4 se usan para la fabricación de plásticos biodegradables. Las C4 tienen menos vitaminas y mayor cantidad de todos los carbonos (12, 13 y 14), produciendo cambios en la composición de los animales que las ingieren. Gracias a ello se puede estimar la era en la que aparecieron. Las moléculas dependen al formase de la forma, del tamaño y de la distribución de cargas. El agua tiene carácter polar, lo que le permite formar puentes de hidrógeno con una gran cohesión. Esto proporciona una gran tensión superficial, haciendo que para algunas formas de vida sea posible caminar por encima del agua sin hundirse aunque sean más densos. La forma, el tamaño y la distribución de cargas en la molécula determina el funcionamiento biológico. Uniones débiles entre moléculas da una aplicación biológica. La electronegatividad es la atracción que ejerce un átomo sobre los electrones compartidos en enlaces covalente. El oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno lo es poco, por eso la molécula de agua es polar, algo que, ayuda a muchas de sus funciones biológicas. Los puentes de hidrógeno se establecen entre moléculas polares cuando el átomo de hidrógeno unido a una molécula mediante enlace covalente es atraído por el átomo electronegativo de otra molécula polar. Las fuerzas de Van der Waals resultan en una asimetría de la distribución de cargas generada por el movimiento de electrones en moléculas no polares. Explican la capacidad de animales como la salamanquesa para subir por paredes verticales. En la pata del animal encontramos cientos de miles de minúsculos pelos que a su vez se ramifican proporcionando un altísimo número de puntos de contacto con posibilidad de atracción de Van der Waals con la pared. Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua permiten a determinados insectos caminar sobre el agua gracias a la tensión superficial. La forma de una molécula tiene normalmente una gran importancia para el desempeño de su función en la célula. Por ejemplo, hay moléculas muy grandes y muy pequeñas. El tamaño afecta a si puede o no cruzar las membranas celulares directamente o se necesita realizar la endocitosis (creación de vesículas por las que entra la molécula). Hay muchos ejemplos de la relación estructura-función. Por ejemplo en Rubisco hay un hueco para el carbono, donde encaja mejor el carbono 12. Otro ejemplo son los receptores proteicos, que tienen la forma justa para que la proteína que buscan encaje perfectamente. Tema 3: El agua: Importancia para los seres vivos. El agua tienen importancia cualitativa y cuantitativa. Las propiedades de las estructuras de las membranas plasmáticas dependen en gran medida de la cantidad de agua (y de los fosfolípidos). 8 El agua es imprescindible para la vida: 1. Es el constituyente mayoritario de las células. (cualitativa). El porcentaje depende del tipo de célula y de su estado fisiológico (el porcentaje de agua en las células vivas suele estar entre el 70% y el 95%, pero en algunos casos (por ejemplo en semillas) podemos encontrar menos de un 5% 2. Proporciona un método de transporte eficaz (es un buen disolvente), de solutos a cortas y largas distancias. 3. Participa en el metabolismo (conjunto de reacciones químicas, cuando son secuenciales se llama ruta metabólica) celular como sustrato, producto o reactivo. La vida en el planeta Tierra comenzó en el agua, donde evolucionó a lo largo de 3000 millones de años antes de conquistar la tierra. El agua sigue siendo imprescindible para todos los seres vivos. Por ejemplo las membranas celulares deben su estructura a que los fosfolípidos forman las bicapas en un medio acuoso. Entre las propiedades físicas del agua con especial relevancia biológica están: - Poca compresibilidad (turgencia). - Buen disolvente (transporte). - Alto calor específico, calor de vaporización: efecto positivo de la transpiración (=evaporación + difusión) para el enfriamiento de los seres vivos. - Es más densa en estado líquido que en estado sólido. - Permanece en estado líquido en el rango de temperaturas en el que tienen lugar los principales procesos metabólicos. - Polaridad, puentes de hidrógeno, tensión superficial. - Ascenso capilar, adhesión, cohesión. - El potencial hídrico y el movimiento del agua en sistemas biológicos. La falta de agua impide el crecimiento y desarrollo de las células y por lo tanto del organismo, esto en concreto lo sufren las plantas. Es el factor limitante del crecimiento de las plantas en ecosistemas agronómicos y forestales. La falta de agua es tan importante para las plantas por dos motivos. 1. La célula de la planta, por fuera de la membrana plasmática, tiene una pared vegetal, esa pared hace que para que una célula vegetal crezca, desde dentro hay que empujar la pared celular. Para conseguir esa presión se tienen que llenar con agua, por lo tanto, si no hay agua las células no son capaces de crecer al máximo. La turgencia es la presión que ejerce el contenido (el protoplasto, es el contenido de la membrana plasmática hacia dentro) contra la pared vegetal. La falta de agua por lo tanto dificulta la turgencia ya que no son capaces de llenar el cloroplasto. 2. Dificulta la obtención del CO​2​, que hace que no se puedan construir las moléculas orgánicas por falta de carbono. Esto ocurre porque las plantas para no perder agua cierran los estomas (para que no se escape por ahí), pero haciendo eso también impide la entrada del dióxido de carbono. La turgencia es la característica de aquellas células vegetales en las que el agua contenida en su interior ejerce presión sobre la pared celular. Es necesaria para el crecimiento para el crecimiento de la célula vegetal. La turgencia es necesaria para la apertura de los estomas, que posibilita la captura del CO​2 atmosférico necesario para la fotosíntesis y por tanto para el crecimiento. En el caso de las plantas, la disponibilidad de agua cobra una especial significación porque no se pueden desplazar. Todos los seres vivos necesitan el agua más que ninguna otra sustancia. Los seres humanos, por ejemplo, pueden sobrevivir unas pocas semanas sin alimento pero solo una semana (aprox) sin agua. De ahí la urgencia de localizar a los supervivientes tras una catástrofe (terremotos, tsunamis..). Todos los seres vivos necesitan agua en gran cantidad y de gran calidad. Propiedades del agua: 1. Es poco compresible y se expande con dificultad, por lo que es idónea para el crecimiento celular. 9 El movimiento por difusión es el movimiento debido a la agitación térmica. El movimiento por difusión se rige por la primera ley de Fick, que establece que el movimiento de una partícula por difusión se realiza de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. El movimiento del agua por difusión tiene importancia a escala celular. Se necesitan años para recorrer grandes distancias por difusión. Tiene dos características: 1. Es aleatorio. Es un movimiento lento y muy inefectivo. La temperatura afecta a la velocidad a la que se produce. Esto permite la ósmosis. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable. La ósmosis se puede producir en 3 tipos de medios: Hipotónico: cuando se encuentra en un medio hipotónico entra agua del medio a dentro de la célula para igualar las concentraciones. Isotónico: cuando se encuentra en un medio isotónico no se produce ni entrada ni salida de agua de la célula. Hipertónico: cuando se encuentra en un medio hipertónico se produce una salida de agua de la célula para igualar las concentraciones. Las células vegetales aguantan los medios hipotónicos y además lo usan para crecer. Las células animales siempre se encuentran en medios isotónicos. Diferentes membranas biológicas muestran permeabilidad diferencial: no son igualmente permeables a moléculas distintas. Una membrana semipermeable deja pasar determinadas moléculas y otras no. La ósmosis en la difusión (aleatorio y lento) de agua a través de una membrana semipermeable. En biología es el movimiento neto de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable que ocurre por una diferencia de concentración entre ambos lados de la membrana. En física es el paso de disolvente (pero no de soluto), entre dos disolución de concentración diferente separadas por una membrana semipermeable. La presión osmótica es la presión que debe ejercerse sobre el lado hipertónico de una membrana con permeabilidad selectiva para impedir la difusión del agua desde el lado que contenga agua pura. Esta hacía que no fuese un proceso totalmente difusivo. La presión osmótica es una cualidad coligativa, es decir, que no depende de los componentes. El movimiento aleatorio de las moléculas debido a su agitación térmica se denomina difusión. Se rige por la primera ley de Fick, que establece que el movimiento de una partícula por difusión se realiza de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. El movimiento del agua por difusión tiene importancia a escala celular, ya que se necesitarán años para poder recorrer distancias grandes. 2. Es un buen disolvente de iones y moléculas polares. Esto se usa para el transporte de solutos esenciales por todo el organismo 3. Tiene un alto calor específico y alto calor de vaporización, favoreciendo la regulación térmica. Eso es importante en procesos como la transpiración. Esta cualidad del agua es especialmente notable en las zonas costeras, donde el mar regula la temperatura. La transpiración es un proceso por el cual las plantas ceden vapor de agua a la atmósfera. La transpiración es la suma de la evaporación y de la difusión. Es importante la transpiración en las plantas porque no se pueden desplazar. El calor específico es la energía requerida para incrementar la temperatura de una sustancia en una cantidad determinada. 10 El calor de vaporización es la energía requerida para cambiar de estado líquido a estado gaseoso a temperatura y presión constante. A 100ºC es 40.7kJ/mol: el máximo por unidad de masa. El vapor de agua liberado a la atmósfera por las plantas y masas de agua (mares, lagos…) reduce el enfriamiento nocturno. La proximidad al mar y la abundancia de vegetación influyen en el clima (temperaturas máximas y mínimas). La evaporación evita el sobrecalentamiento del organismo. Además de la transpiración hay otros mecanismos para evitar el sobrecalentamiento, como la pérdida de calor por radiación, por ejemplo desde la superficie de las hojas expuestas al sol. 4. Permanece en estado líquido entre los 0ºC y los 50ºC, que son las temperaturas a las que se realizan los procesos metabólicos, 5. La densidad en estado líquido es mayor que e en estado sólido. Esto permite que se pueda vivir bajo el hielo, algo que es raro con respecto a muchas del resto de las sustancias. La molécula de agua es polar. Quiere decir que hay una distribución desigual de las cargas debido a la diferencia de electronegatividad de los átomos que la forman. Esto permite formar puentes de hidrógeno que se deshacen y hacen constantemente. La cohesión es la atracción entre moléculas semejantes, basada frecuentemente en el establecimiento de puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son uniones débiles, que se rompen y vuelven a formar con enorme facilidad. Por esta razón, en todo momento hay un porcentaje sustancial de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno. Las propiedades físicas del agua de las que acabamos de hablar se deben en último término a la existencia de los puentes de hidrógeno entre las moléculas. La cohesión está relacionada con la tensión superficial. La tensión superficial es la energía por unidad de superficie (o fuerza por unidad de longitud) que se debe aplicar a un líquido para poder expandirlo. La tensión superficial depende de las temperaturas, de la composición de la fase gaseosa/sólido/líquido y de la presencia de solutos. La elevada tensión superficial del agua permite a determinados insectos caminar sobre su superficie. La tensión superficial hace que el agua tienda a formar gotas sobre las superficies hidrófobas. La adhesión es la atracción entre moléculas distintas. Hay plantas con recubrimientos hidrófobos (saporíferas) y también hay animales con esa capacidad. Una hoja hidrófoba tiene ciertas ventajas. El carácter hidrófobo de la superficie de la hoja dificulta la germinación de esporas de organismos patógenos y el lavado de nutrientes por la lluvia. También facilita el lavado de partículas al rodar las gotas de agua sobre la superficie. Se han diseñado sustancias que imitan este comportamiento. La cohesión, adhesión y tensión superficial explican la capilaridad. Esto se produce porque la fuerza adhesiva es igual (o mayor) que la fuerza cohesiva del líquido y el ángulo de contacto es 0º. Cuando el ángulo es 90º ocurre que la fuerza adhesiva es la mitad de la fuerza cohesiva. En este caso el nivel del fluido en el capilar es el mismo que en la disolución, es decir, que no ocurre ascenso en el capilar. Según se va reduciendo la relación líquido-adhesivo la fuerza es menor comparada con la cohesión de la fase líquida, haciendo que el ángulo sea de unos 180º y que se produzca una depresión en el capilar. Cuanto menor es el diámetro del tubo mayor es el ascenso/depresión. 11 La altura depende del radio del mismo modo que un litro de agua en una piscina no se nota pero en un plato sí. La altura de ascenso depende del ángulo de contacto (alpha) y de la densidad (p) y de la tensión superficial del líquido (sigma). F ascendente = pi * r^2 * h * p * g = 2 * pi * r * sigma * cos alpha. El agua dentro del tubo capilar está sometida a tensión. La cohesión permite tolerar tensiones relativamente altas y el agua puede permanecer líquida en estado metaestable. El término metaestable se refiere a que tiene gran facilidad para cambiar (en este caso pasar de estado líquido a estado gaseoso) por efecto de algún factor externo, no de forma espontánea. Este fenómeno no explica el por qué del movimiento de la savia por el interior de los troncos de los árboles, ya que el movimiento por este proceso se da mediante difusión y es muy lento y costoso. Las secuoyas mueven unos 200L de agua al día mientras que los mamíferos más pequeños consumen sólamente 2 mL/día. El movimiento de agua en sistemas biológicos: bases termodinámicas. Los primeros modelos se inspiraron en modelos de la circulación de la sangre diseñados en el siglo XVII. Actualmente se acepta que la savia se mueve en el xilema sin gasto de energía metabólica (a diferencia de la sangre, que es bombeada por el corazón). El movimiento de la savia se produce 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 alto de la copa supone la realización de un trabajo. Se utiliza la hitólisis metabólica para bombear, ya que eso es como se obtiene la energía. Eso en el caso de los mamíferos. En las plantas es un método pasivo, ya que no tienen ningún órgano capaz de bombear la savia. En la respiración celular se produce agua, lo que permite a los seres que menos agua consumen valerse con esa cantidad. Ese agua se conoce como agua metabólica. El agua en los árboles se mueve usando los principios termodinámicos. El movimiento del agua de las raíces supone la realización de un trabajo. La energía libre del agua en las raíces es mayor que la que tiene en las hojas. Eso hace que termodinámicamente, el agua tienda más a subir a las hojas. Se cuantifica con dos parámetros: 1. Potencial químico, Energía libre por Mol. El factor químico se altera por la presencia de solutos en la presión que hay en el momento. El potencial hídrico se define como el potencial químico del agua pura a presión atmosférica y dividido por el volumen molar parcial del agua. Se mide en Pa. El agua se mueve de forma espontánea de regiones con mayor potencial hídrico a zonas con menor. El potencial del agua pura es 0. Cuando se le añaden solutos se reduce la energía libre (el potencial) y se incrementa la entropía del sistema. Al hacerlo, el agua ‘’cede’’ energía, que se aplica a la realización de un trabajo. El agua se mueve por difusión a través de una membrana semipermeable. Este movimiento es aleatorio y se rige por la 1era Ley de Fick. Si se varía la presión hay que añadir un factor. 12 El agua se mueve de regiones con mayor potencial hídrico a regiones con menor potencial hídrico. Al hacerlo, el agua ‘’cede’’ energía, que se aplica a la realización de un trabajo. Ejemplos: Transporte pasivo: ascenso de la savia bruta. 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. ○ La apertura de los estomas posibilita la entrada de CO​2​ y con ella la fotosíntesis y causa la difusión de vapor de agua, desde los espacios intercelulares del mesófilo (donde el vapor de agua se encuentra a saturación hacia la atmósfera. Los estomas están formados por dos células especializadas de la epidermis (células de guarda) que permiten la apertura de un poro por el que se realiza el intercambio gaseoso entre el interior de la hoja y la atmósfera. ○ La pérdida de agua en el tejido de las hojas provoca una mayor concentración de solutos y un descenso del potencial hídrico. Transporte activo: capilares. Los capilares son vasos sanguíneos de muy pequeño diámetro con paredes muy finas que permiten el intercambio de sustancias entre la sangre y el llamado fluido intersticial. En fisiología animal no se utiliza el parámetro ‘’potencial hídrico’’ pero sí tiene gran importancia el ‘’potencial osmótico’’ o la ‘’presión osmótica’’. La sangre que llega por arterias y arteriolas tiene una cierta presión, que se va perdiendo al circular por los capilares. En los extremos próximos a la arteriola la mayor presión sanguínea favorece la salida de agua y solutos de pequeño tamaño por flujo de masa a través de pequeñas aberturas entre células del fino tejido epitelial del capilar. Además se produce salida neta de agua siempre que la presión sanguínea sea mayor que la presión osmótica. En el extremo del capilar próximo a la vénula el descenso de la presión sanguínea favorece la entrada de agua en el capilar. La presión sanguínea es originada en el corazón y mantenida por la naturaleza elástica de los vasos sanguíneos. La presión osmótica es la originada por los solutos presentes en la sangre. 13 Tema 4: Compuestos orgánicos: Macromoléculas. Estructura y función. Las moléculas orgánicas son moléculas sintetizadas por algún ser vivo. Todas contienen carbono y mucho hidrógeno principalmente. Las moléculas orgánicas tienen esqueletos carbonados y grupos funcionales. Hay 4 grupos. 1. Glúcidos o carbohidratos. 2. Proteínas. 3. Lípidos. 4. Ácidos nucleicos. Los glúcidos, las proteínas y los ácidos nucleicos forman polímeros macromoleculares. Pueden tener grupos funcionales lo que les da una cierta reactividad. Los hidrocarburos son moléculas orgánicas formadas sólo por carbono e hidrógeno. Pueden formar cadenas simples o ramificadas y también anillos. En algunas moléculas orgánicas encontramos, además de carbono e hidrógeno: oxígeno, nitrógeno, fósforo… En todas ellas podemos distinguir un ‘’esqueleto’’ formado por la unión, mediante enlaces sencillos y/o dobles, de átomos de carbono. Los grupos funcionales participan en determinadas reacciones químicas y por eso tienen gran importancia biológica. Los grupos funcionales son: - Grupo carbonilo: CHO - Grupo hidroxilo: OH - Grupo carboxilo: COOH - Grupo sulfhidrilo: SH - Grupo amino: NH​2 - Grupo fosfato: PO​4​- Un polímero es una molécula formada por la repetición de subunidades del mismo tipo (monómeros). Por ejemplo son las proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos. Las macromoléculas tienen cientos de miles de átomos. La mayoría de las macromoléculas orgánicas son polímeros. Pero no todas las moléculas orgánicas son polímeros. Muchas proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos son polímeros: están formados por la unión de monómeros similares (no necesariamente idénticos). Polímero Monómero Monómero concreto Glúcidos Celulosa Monosacáridos Glucosa Proteína Colágeno Aminoácidos Alanina Ácidos nucleicos ADN Nucleótidos AMT La síntesis: se unen nuevos monómeros a la cadena que se está alargando. En esta reacción uno de los productos es agua. El mecanismo de síntesis es similar para todos los polímeros. Se añaden nuevos monómeros a la cadena por medio de una reacción química en la que se forman una unión covalente entre moléculas con pérdida de molécula de agua. Este proceso es catalizado por enzimas específicas y requiere energía. La hidrólisis: se separan monómeros. Esta reacción necesita agua. Sirve para romper las moléculas grandes a otras que sean más manejables. Se catalizan mediante la Hidrolasa. 14 El número de monómeros necesario para crear las moléculas necesarias es menor de 50. La combinación de un número discreto de monómeros en secuencia y estructura de determinadas formas permite una enorme diversidad de formas de vida en nuestro planeta. Los monómeros constituyentes de las proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos son, respectivamente, los aminoácidos, monosacáridos y nucleótidos. Ejemplo: La insulina está formada por dos cadenas. Una de ellas tiene 21 aminoácidos y la otra tiene 30 aminoácidos. Están unidas por puentes disulfuro entre las moléculas de cisteína que ayudan a mantener la forma de la molécula. La insulina es una hormona producida en el páncreas que se encarga de la regulación de la cantidad de glucosa que hay en sangre. Fue la primera proteína secuenciada. Glúcidos Los glúcidos o carbohidratos más sencillos son los monosacáridos, responden a la fórmula general (CH​2​O)​N​, los más abundantes tienen 3, 5 o 6 carbonos y se denominan triosas, pentosas y hexosas. En función de la posición del grupo carbonilo se clasifican los monosacáridos en aldosas (si está en el grupo terminal) y cetosas. Muchos monosacáridos se diferencian solo en la distribución espacial de sus átomos, aunque tienen la misma fórmula molecular: son isómeros. Los isómeros difieren en sus propiedade químicas físicas y biológicas. Monosacáridos: Por cantidad de carbonos: triosas, pentosas, hexosas… Por donde está el grupo carbonilo (C=O): Aldosas (CHO-R), cetosas (R-CO-R’). En solución acuosa los monosacáridos tienden a formar anillos. Disacáridos: Son la unión de dos monosacáridos. Por ejemplo Glucosa + Fructosa = Sacarosa. La fructosa es una hexosa, igual que la glucosa y tiene su misma fórmula molecular. Sin embargo, en medio acuoso la glucosa forma anillos de cinco carbonos + un oxígeno y la fructosa de cuatro carbonos + un oxígeno. La enzima sacarasa (o invertasa) cataliza la hidrólisis de la sacarosa. La sacarosa es el azúcar de mesa, que se obtiene a partir de la caña de azúcar o de la remolacha. La mayoría de los monosacáridos, en disolución acuosa tiende a formar anillos. Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos. Glucosa + fructosa = sacarosa Glucosa + galactosa = lactosa Glucosa + Glucosa = maltosa. Oligosacáridos: 2-50 monosacáridos. Por ejemplo la rafinosa. Polisacáridos: +50 moléculas. Son polímeros formados por muchos. Cumplen función estructural (celulosa) o de reserva (almidón, glucagón) en el organismo. Las plantas almacenan el almidón en orgánulos de doble membrana (plastidios), como los cloroplastos y los amiloplastos. La acumulación de almidón puede transformar un cloroplasto en un amiloplasto. Los animales almacenan gránulos de glucógeno, fundamentalmente en células del hígado y músculos. El almidón acumulado por las plantas (por ejemplo por las patatas) se puede utilizar para obtener bioplásticos. 15 La celulosa y el almidón son polisacáridos formados por la unión de cientos de unidades de glucosa. La glucosa puede tener la forma de α-glucosa o de β-glucosa. La α-glucosa forma el almidón (con estructura helicoidal) y la β-glucosa forma la celulosa (fibrosa). La molécula del almidón es helicoidal, la de la celulosa es lineal y tiende a agruparse en microfibrillas. Las enzimas que aceleran la hidrólisis del almidón en el tracto digestivo no actúan sobre la celulosa. Solo algunos hongos y organismos procariotas poseen enzimas capaces de hidrolizar la celulosa. La β-glucosa es estructural y viene dada por las fibras que forma. Los seres humanos no somos capaces de sintetizar enzimas capaces de digerir la celulosa. La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en la tierra ya que todas las plantas están básicamente hechas de ello. La quitina está formada por derivados de la glucosa (cambiando el grupo hidroxilo por un grupo amino + ácido acético). Está en los exoesqueletos de los insectos. Se usa como hilo quirúrgico, ya que el cuerpo si puede metabolizarse pero le cuesta bastante tiempo. Es flexible. Adquiere rigidez por acción de deposiciones de carbonato cálcico. Por sus propiedades cicatrizantes, su compatibilidad y su carácter biodegradable, la quitina se ha utilizado para hacer hilo para suturas quirúrgicas. Lípidos: No forman polímeros y es un grupo muy heterogéneo. Son sustancias hidrófobas. Los principales lípidos de importancia biológica pertenecen a: 1. Grasas. 2. Fosfolípidos. 3. Esteroides. Las funciones principales son: a. Reserva de energía. b. Aislante térmico. c. Protección contra golpes de los órganos vitales. Las semillas, en las plantas, tienen grasas en el interior, ya que permiten almacenar mucha energía de manera muy concentrada. 1. Grasas: Si la molécula está saturada de hidrógenos la estructura es compacta y la grasa es sólida a temperatura ambiente (grasas saturadas). En caso contrario, si se forman dobles enlaces entre átomos de carbono en el ácido graso, eso da flexibilidad, es decir, son líquidos a temperatura ambiente (grasas insaturadas). Están formadas por la unión de ácidos grasos y glicerol. El enlace ácido graso-glicerol es otro ejemplo de la participación del agua en el metabolismo celular. Si la molécula está saturada de hidrógeno su estructura es compacta y la grasa es sólida a temperatura ambiente (grasas saturadas). En caso contrario, se forman dobles uniones entre átomos de carbono en el ácido graso, que dan flexibilidad a la molécula: la grasa es líquida a temperatura ambiente (grasas insaturadas). Las plantas tienden a almacenar grasas insaturadas mientras que los animales (especialmente los mamíferos) tienen a almacenar grasas saturadas. 16 Un ejemplo de ácido graso insaturado es el Ácido Oleico (células vegetales). Un ejemplo de ácido graso saturado es el Ácido esteárico (células animales). 2. Fosfolípidos: Están formados por la unión de glicerol a dos ácidos grasos + un grupo fosfato que presenta carga negativa. La cabeza tiene naturaleza hidrófila, formada por glicerol, grupo fosfato y elementos unidos a dicho grupo. Cola, de naturaleza hidrófoba, formada por dos ácidos grasos. Esto hace que sea una molécula ‘’anfipática’’ es decir, hidrófila e hidrófoba a la vez, pero en distintas partes de la molécula. Los fosfolípidos son los componentes principales de las membranas celulares en animales y plantas. Formando una bicapa lipídica. No todos los fosfolípidos son iguales. Pueden tener distintas moléculas unidas al grupo fosfato y colas formadas por distintos ácidos grasos. En plantas que viven en zonas con inviernos fríos, la proporción de ácidos grasos insaturados en los fosfolípidos que forman las membranas celulares tiende a aumentar a lo largo del otoño. 3. Los esteroides están formados por 4 anillos a los que se unen diferentes radicales. El colesterol es un esteroide, abundante en las membranas celulares. Regula la fluidez y condiciona cómo se introducen sustancias externas dentro de la célula. A partir del colesterol se sintetizan muchas hormonas animales y la vitamina D. Tanto las grasas saturadas como las grasas hidrogenadas afectan a los niveles de colesterol y tienen un impacto negativo en la salud. Los distintos esteroides se diferencian en las cadenas unidas a los cuatro anillos. Proteínas Son el más del 50% en peso en la mayoría de las células. Por ejemplo la ribulosa-1,5-carboxilasa/oxigenasa (rubisco), es la enzima que cataliza la carboxilación en la fotosíntesis. Esta proteína es la más abundante en hojas y se considera también la más abundante del planeta tierra. Funciones: 1. Catalizar reacciones químicas. Esto lo hacen mediante las enzimas. 2. Estructurales. Soporte estructural de células y tejidos (citoesqueletos, matriz extracelular…) 3. Transporte. Mediante transportadores en la membrana celular. 4. Comunicación celular. Mediante proteínas mensajeras. 5. Permiten el movimiento. Los músculos son básicamente proteicos. 6. Defensa. Mediante los anticuerpos. 7. Función reguladora. Mediante las hormonas. Son las moléculas con la estructura más complicada. Las proteínas son polímeros formados mayoritariamente por la unión de 20 posibles aminoácidos distintos. Los polipéptidos son aquellos que tienen varios monómeros unidos mediante enlaces peptídicos. Esos enlaces son carbono nitrógeno. Una unión peptídica se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro. Los polipéptidos están formados por la unión de hasta miles de monómeros. Una proteína funcional está formada por uno o más polipéptidos que adoptan una estructura tridimensional única. 17 Cuando el carbono tiene 4 sustituyentes distintos se llama carbono asimétrico. Por cada aminoácido existen enantiómeros D (Dextrógiros) y L (Levógiros). Hay que conocer los nombres de los 20 aminoácidos de los que se hacen las proteínas. Como el contenido en proteínas en tejidos vegetales no es alto, los animales que se alimentan exclusivamente de plantas (como los rumiantes) deben ingerir cantidades importantes de alimento para conseguir la cantidad suficiente de aminoácidos esenciales. Niveles estructurales: Primaria: Las características de los distintos radicales (polaridad, carga…) influyen de forma decisiva en la estructura final de la proteína. Secundaria: El establecimiento de uniones débiles, puentes disulfuro y la presencia de regiones hidrófobas en los radicales determina las distintas formas que pueden adoptar las proteínas en medio acuoso. Se pueden distinguir dos formas externas, la globular, que es compacta y tiende a esférica y la fibrosa, con apariencia filamentosa. Entre ambos tipos, existen múltiples formas más o menos regulares que se identifican mediante la técnica de difracción de rayos X sobre la proteína cristalizada. Terciaria: definida por la interacción entre radicales de los distintos aminoácidos. a. Numerosas uniones débiles de Van Der Waals, puentes de hidrógeno y enlaces iónicos. b. Establecimiento de enlaces covalentes, como los puentes disulfuro (Cyt). Depende del enlace pueden ser proteínas globulares o fibrosas. Cuaternaria: viene definida por la agregación de varios polipéptidos. El colágeno por ejemplo. La Mioglobina es una molécula que transporta el oxígeno en el tejido muscular, fue la primera proteína en la que se consiguió determinar la estructura mediante cristalografía de rayos X. Por este trabajo, Max Perutz y Sir John Cowdery Kendrew recibieron el premio nobel de química en 1958. Cada proteína adopta una forma estable, que puede experimentar pequeños cambios cuando interacciona con otras moléculas. Estos cambios son clave para el desempeño de su función. La necesidad de estabilidad en la estructura terciaria limita en la práctica las secuencias de aminoácidos utilizables para la síntesis de proteínas (no todas las secuencias imaginables proporcionan estructuras terciarias estables). La estructura de las proteínas depende de las características físicas y químicas del medio. La desnaturalización de las proteínas supone un cambio en la estructura que impide su normal funcionamiento. Esto se da por cambios en la temperatura, por deshidratación y por reactividad con elementos químicos. Las proteínas ‘’chaperonas’’ facilitan el plegado de polipéptidos. Algunas enfermedades neurodegenerativas, como el párkinson y el Alzheimer están relacionadas con la acumulación de proteínas mal plegadas. 18 Con la secuenciación del genoma humano se ha conocido que existe una proporción significativa de proteínas intrínsecamente desordenadas (PID) o proteínas que presentan regiones desordenadas (no plegadas) en nuestro cuerpo). Estas proteínas cumplen distintas funciones en el organismo (participan en la división celular, en el proceso de transcripción, algunas son chaperonas…). Pero también pueden estar relacionadas con distintas enfermedades. Ácidos nucleicos Son moléculas poliméricas formadas por nucleótidos. Un nucleósido es la unión de una pentosa (que es ribosa si es ARN y desoxirribosa si es ADN) y una base nitrogenada. Adenina y guanina son bases formadas por dos anillos. Timina, citosina y uracilo están formadas por un solo anillo. El ADN contiene timina y los distintos tipos de ARN, uracilo. Los nucleótidos son una pentosa, una base nitrogenada (A, G, C, T/U) y un grupo fosfato. El ADN y el ARN son ácidos nucleicos. Sus funciones: - Almacenar la información que codifica todas las actividades celulares. - Constituyen la base sobre la que se sustenta la herencia. En el ADN puede hacer Adenina, guanina (estas dos son las ‘’largas’’), timina. uracilo y citosina (estas tres son las cortas) como bases nitrogenadas. En el ADN y ARN los cuatro posibles nucleótidos que encontramos son: Desoxiadenosin monofosfato. Adenosín monofosfato. Desoxiguanín monofosfato. Guanosín monofosfato. Desoxitimidín monofosfato. Uridín monofosfato. Desoxicitosín monofosfato. Citosín monofosfato. La estructura del ARN es una cadena de nucleótidos. El ADN adopta una estructura tridimensional de doble hélice que se mantiene mediante puentes de hidrógeno establecidos entre bases. La secuencia de nucleótidos de una cadena de la doble hélice determina la secuencia de la otra (cadena principal y secundaria). Esto permite la replicación del ADN. Los genes son porciones de la molécula de ADN responsables de los caracteres de un organismo que pueden ser heredados. Cada gen tiene una secuencia de nucleótidos propia. Prácticamente todo el ADN se encuentra en el núcleo en células eucariotas, formando cromosomas. La totipotencia celular ocurre cuando una célula, por la especialización no lee toda la información (una célula de músculo ‘’ignora’’ las instrucciones para las neuronas). La expresión diferencial de genes hace que no toda la información se exprese en las distintas células en cada momento: esto permite la especialización celular y la respuesta a estímulos del medio. 19 Tema 5: Metabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en un organismo para transformar materia y energía de forma eficiente, organizada y sensible a variaciones ambientales. Las reacciones se agrupan formando vías metabólicas, vienen catalizadas por enzimas. Cada vía metabólica que tiene lugar en la célula comienza en una molécula específica, que sufre una serie de alteraciones sucesivas en forma de reacciones químicas catalizadas por enzimas específicas. Las vías metabólicas se pueden clasificar en: Anabólicas: de moléculas simples a moléculas complejas. Se requiere de energía para este tipo de reacciones. Catabólicas: De moléculas complejas a moléculas simples. Se produce energía, que se almacena como ATP y se disipa de calor. La energía liberada en la respiración celular se utiliza para realizar distintos trabajos. Por ejemplo, a nivel celular se necesita energía para el transporte de solutos a través de membranas y también el movimiento de solutos dentro de la célula (mediante proteínas transportadoras, como estudiaremos al hablar del citoesqueleto). A nivel de organismo, los animales necesitan energía para desplazarse. Algunos, para mantener la temperatura corporal. Como caso especial de utilización de la energía metabólica citaremos la bioluminiscencia. La bioluminiscencia es la emisión de luz por un organismo. Es el resultado de una reacción química la que la conversión de energía química a energía luminos es casi 100% eficiente (sin disipación de calor): por definición la luminiscencia es luz fría, a diferencia de la luz que emite un cuerpo incandescente. Las enzimas que catalizan la reacción de oxidación que produce bioluminiscencia se denominan luciferasas. Cada luciferasa tiene un sustrato específico que recibe el nombre genérico de luciferina. Enzima y sustrato son distintas en las luciérnagas y en los hongos bioluminiscentes, por poner un ejemplo. No se conocen casos de plantas, anfibios, reptiles, aves o mamíferos bioluminiscentes. Bases termodinámicas Los seres vivos son transformadores de energías. Cada célula del organismo funciona como una fábrica en miniatura, capaz de liberar energía mediante procesos catabólicos. La principal vía catabólica del metabolismo celular es la respiración. En ella la glucosa es oxidada para formar CO​2 y H​2​O. Parte de la energía almacenada en forma de enlaces en la molécula de partida, más grande y compleja que los productos, se libera como calor y parte será almacenada como ATP para su uso posterior. Por ejemplo la respiración celular: C​6​H​12​O​6​ + 6O​2​ → 6CO​2​ + 6H​2​O + Energía El flujo de materia y energía en los seres vivos se rige por las leyes de la termodinámica. La energía libre de Gibbs es la parte de la energía de un sistema biológico que se puede utilizar para realizar un trabajo. Los cambios pueden ser pasivos (espontáneos, que no sea necesario aplicar nada de energía) o activos (no espontáneos, se necesita que haya un aporte de energía). En los seres vivos ocurren las dos. Cuando ΔG>0 el proceso es endergónico. Cuando ΔG90% de las ceras utilizadas en la industria provienen del petróleo, con frecuencia combinadas con ceras sintéticas derivadas del etilenglicol. Algunas ceras naturales, como la cera de abejas y la cera que recubre la lana de oveja (lanolina) también son objeto de aprovechamiento industrial. La cutina y la suberina actúan como barreras hidrofóbicas (forman la epidermis y la peridermis). La suberina se deposita en la pared celular. La cutina puede aparecer recubriendo superficies externas o internas. Los metabolitos secundarios: reciben este nombre un conjunto de sustancias producidas por las plantas que no participan en las vías del metabolismo primario (respiración celular, fotosíntesis, síntesis de macromoléculas). A diferencia de los ‘’metabolitos primarios’’ que intervienen en estas vías (glucosa), muchos metabolitos secundarios son específicos: aparecen solo en una especie o en grupo de especies próximas. De ahí que con frecuencia su nombre deriva del de la especie o en un grupo de especies próximas, como la digitalina. Los metabolitos secundarios no son meros subproductos del metabolismo primario. Hoy se sabe que desempeñan un papel importante en la relación de la planta con su entorno. La síntesis de los metabolitos secundarios supone un coste metabólico para las plantas, por tanto es lógico espera que reporte algún beneficio a la propia planta. Muchos metabolitos secundarios tienen utilización industrial. Se pueden clasificar según su composición química: Terpenos (se pueden considerar derivados del isopreno C​5​H​8​), fenoles (contienen uno o varios grupos fenol) y compuestos nitrogenados (contienen aminoácidos). Las funciones son: 1. Regulación del crecimiento. 2. Captación de energía luminosa y protección de tejidos fotosintéticos. 3.Defensa contra herbívoros. Algunos se usan como insecticida. 4. Favorecen la polinización. 78 Por su composición química, tanto las hormonas vegetales del grupo de las giberelinas como el ácido abscísico son terpenos. También los son los pigmentos del grupo de los carotenoides. Por tanto, el adjetivo ‘’secundario’’ en ningún modo quiere considerar que son ‘’menos importantes’’ que los metabolitos primarios. Los terpenos se clasifican según el número de unidades de cinco carbonos que forman el esqueleto de la molécula. Modificaciones en este esqueleto común (por ejemplo una reacción de oxidación) originan las distintas moléculas de cada grupo. Los monoterpenos son los aceites esenciales. Los monoterpenos volátiles se localizan con frecuencia en células especializadas de la epidermis. La mayoría de estas moléculas son derivados por oxidación de la unidad básica de 10 carbonos y contienen algún grupo hidroxilo o aldehído. Sesquiterpenos (15 carbonos); Diterpenos (como las giberelinas, 20 C); triterpenos (digitalina, 30C); tetraterpenos (carotenoides, 40 C); politerpenos (>40 C, caucho). Algunos terpenos volátiles favorecen la polinización: son responsables de los aromas de las flores, también son importantes en la perfumería. Otros terpenos volátiles se producen tras el ataque de insectos y atraen a otros insectos. Esta respuesta se ha estudiado para ayudar a la lucha biológica contra plagas. El maíz y el algodón también tienen esta respuesta. La menta produce terpenos volátiles, que actúan como repelente de insectos. Al hablar de metabolitos secundarios con función protectora contra potencial herbívoros, se suelen diferenciar dos mecanismos de defensa. La ‘’defensa cualitativa’’ incluye los venenos (más o menos potentes). Los metabolitos que proporcionan defensa cualitativa son sustancias que no necesitan (y no suelen) estar presentes en grandes cantidades en el cuerpo de la planta. Por otro lado se habla de ‘’defensa cuantitativa’’ para aludir a la acción de sustancias que reducen la palatabilidad y/o digestibilidad del órgano en el que están presentes. La acción de esta sustancia es tanto más acusada cuanto mayor es la ingesta de la misma (causa mayor efecto en mayores cantidades). Una buena parte de los metabolitos secundarios que proporcionan defensa cualitativa acaban siendo tolerados por algún herbívoro, que incluso, como en en el caso de la mariposa monarca, utiliza el tóxico en su beneficio. Por esta razón la estrategia de defensa cuantitativa se considera más segura, aunque es más costosa. La obtención del caucho natural viene de la ​Hevea brasiliensis. ​El caucho se obtiene del látex producido por árboles de algunas especies (puede obtenerse también a partir de derivados del petróleo). Tanto el caucho natural como el sintético se someten a un proceso de vulcanización para mejorar sus propiedades (resistencia, elasticidad…). La vulcanización consiste básicamente en calentar el caucho con azufre. El proceso fue inventado por Charles Goodyear en 1839. Además del azufre suelen añadirse distintos aceleradores, que permiten acortar el tiempo y/o la temperatura del tratamiento. Otro metabolito secundario del grupo de los monoterpenos es el alcanfor. Al igual que el limoneno, mentol y timol, el alcanfor tiene acción antiséptica y expectorante. La madera de alcanfor preserva los tejido del ataque de polilla , y se utilizó hace años para la fabricación de baúles. Las funciones de los fenoles son: 1. Protección contra herbívoros y otros patógenos: defensa cualitativa (tóxico) y cuantitativa: los taninos, abundantes en frutos inmaduros y en el duramen tienen acción preventiva (reducen la palatabilidad y digestibilidad). Aprovechamiento: curtido de pieles, efectos beneficiosos del vino tinto, té, manzanas y moras. 2. Sirven para relacionarse con otras plantas, mediante la alelopatía. 3. Produce la polinización y dispersión del fruto, mediante el uso de antocianinas. Los fenoles son sustancias muy frecuentes en la Naturaleza. COmo metabolitos secundarios, constituyen un grupo extraordinariamente numeroso. Pero no son sólo sustancias útiles para las plantas. El aminoácido tirosina y la hormona adrenalina son también compuestos fenólicos. 79 El proceso de curtido de pieles transforma la piel en cuero. Hay varios mecanismos de curtido, el más antiguo utiliza material vegetal rico en taninos (Cortezas, bayas..); se utilizó ya en tiempos prehistóricos. Las pieles se sumergen en cubas con licores o con extractos líquidos progresivamente más fuertes (más concentrados(. Los taninos actúan sobre las pieles eliminando agua de la fibra proteica y favoreciendo por tanto la unión más estrecha entre las fibras. La alelopatía es el rechazo entre vegetales originado por la aportación al terreno, por uno de ellos, de sustancias que resultan nocivas. La juglona liberada al suelo por hojas, tronco y ramas y raíces del nogal se hidroliza y oxida en el suelo, donde ejerce una acción de inhibición de la germinación de especies sensibles. Hay distintas especies de nogal. Algunas tienen mayor efecto alelopático que otras. Las especies herbáceas también se diferencian en su tolerancia a la juglona. Por ejemplo la alfalfa es muy sensible. Ailanthus altissima​, es una especie invasora de china que también tiene el el efecto alelopático. En este caso el tóxico recibe el nombre de ailanto. Otros fenoles: La lignina es muy abundante en tejidos vegetales. Es un componente de la pared. Producen resistencia mecánica y resistencia a patógenos. Los compuestos secundario nitrógenos sirven como defensa contra herbívoros. Los alcaloides (drogas, venenos) están presentes en nicotina, cocaína, taxol, morfina, estricnina y cafeína. Los glicósidos cianogénicos actúan como repelentes de herbívoros. 80 Tema 20: Diferenciación celular y tipos de tejidos. Parte A. Primeras etapas del desarrollo embrionario: Poco después de la fecundación, el cigoto experimenta un aserie de divisiones mitóticas consecutivas, sin periodos de crecimiento entre ciclos, de modo que solo aumenta el número de células pero no el tamaño del embrión. El blastocisto es, en mamíferos, una esfera hueca de células producida por la división de un óvulo fecundado. El endodermo es la fuente de células madre embrionarias. Con el desarrollo embrionario se produce un proceso de diferenciación celular, en el cual las células adquieren una determinada apariencia y/o función. En el proceso de diferenciación celular intervienen: a. El citoplasma del óvulo. b. Señales externas (el entorno). c. Expresión diferencial de genes. Las células madre (stem cells) se caracterizan por su capacidad de dividirse para producir nueva células madre o bien células destinadas a especializarse. Las células madre embrionarias son pluripotentes, es decir, que pueden generar cualquier tipo de célula del organismo adulto. Hay células madre en algunos tejidos presentes en el organismo adulto: epidermis, recubrimiento del intestino delgado y médula ósea (bone marrow). También se han encontrado células madre en el cerebro, cabello, ojos, diente.. Tipos de médula ósea: roja y amarilla. En la infancia toda ella es roja (el color se debe a la abundancia de células hematopoyéticas, que son la que dan lugar a células de la sangre como glóbulos rojos o las plaquetas), luego solo queda médula roja en algunos de los huesos (caderas, por ejemplo). El uso de células madre para regenerar distintos tipos de tejido es objeto de intensa investigación. A partir de la médula ósea se pueden obtener células madre mesenquimáticas, precursoras de células presentes en hueso o músculo (tejido conjuntivo). SCNT: somatic cell nuclear transfer. Se reemplaza el núcleo de un óvulo por el de una célula somática adulta. Se cultiva in vitro hasta alcanzar la fase blastocisto, en la que obtienen células madre embrionarias y genéticamente idénticas al donante. En la actualidad se trabaja en técnicas de inducción de pluripotencia en células madre adultas. En 2009 se consiguió generar células de retina reprogramando células epiteliales adultas. Para ello se usan plásmidos o retrovirus para insertar los genes responsables de la reprogramación. Las células forman tejidos. Un tejido es un grupo de células estrechamente relacionadas que actúan conjuntamente para realizar una función específica. Los tejidos son: epitelial, conjuntivo, muscular y nervioso. Un Órgano es una unidad funcional formada por distintos tejidos. Un órgano puede pertenecer a más de u sistema (por ejemplo el páncreas). Un sistema es un conjunto de órganos que cumplen una función coordinada. El sistema digestivo, circulatorio, respiratorio y excretor se encargan de la adquisición, procesamiento, distribución de recursos para el desarrollo del organismo. El sistema endocrino y el nervioso actúan para el control y la coordinación. El sistema nervioso y el sistema inmune linfático se encarga de defensa y relación con el medio. El reproductor se encarga de la propagación de la especie. El sistema tegumentario, muscular y óseo se encargan de defensa y soporte mecánico, aislamiento térmico y movimiento. EL tejido epitelial recubre tanto el cuerpo como los órganos y cavidades internas. Sus células se colocan muy próximas entre sí, sin dejar espacio y en una (tejido simple) o varias capas (tejido estratificado, como la piel). En vertebrados, la piel está formada por varias capas (dermis, epidermis). Las células de la epidermis sintetizan queratina, que proporciona a la piel una gran resistencia y flexibilidad. Esta proteína es insoluble en agua, por lo que sirve también de barrera par limitar la difusión de agua hacia el exterior. Una glándula es un conjunto de células epiteliales especializadas en la producción y secreción de sustancias. Algunas de estas glándulas (exocrinas) secretan sus productos a la superficie, normalmente a través de un conducto (por ejemplo, las glándulas sudoríparas). Otras glándulas carecen de conductos y liberan sus productos en el líquido intersticial o en la sangre (glándulas endocrinas, productoras de hormonas). Otras células epiteliales se especializan 81 como receptores sensoriales. Por ejemplo, funcionan como receptores químicos tanto las papilas gustativas como el epitelio olfativo. La estructura en capas permite al epitelio funcionar como barrera frente a: daños mecánicos, radiación UVA, patógenos y pérdida de líquidos. Además, el tejido epitelial participa en funciones de relación con el ambiente (recepción de estímulos: olfato, tacto) y puede desempeñar funciones de absorción o secreción de sustancias. Tipos de tejido epitelial: Cúbico: son células especializadas en la secreción. Conductos renales, glándulas salivares, tiroides.. Columnar: El simple: recubre los intestinos. Secretan los jugos digestivos, absorbe nutrientes. El pseudoestratificado forma la membrana mucosa que recubre buena parte del tracto respiratorio. El movimiento de los cilios desplaza el mucus y lo extiende por la superficie. Escamoso: El simple es muy fino, facilita el movimiento por difusión. Se encuentra recubriendo los vasos sanguíneos y los sacos pulmonares. El estratificado recubre zonas sometidas a roce intenso (Piel, ano, vagina). Las células del tejido epitelial pueden producir estructuras especializadas con crecimiento hacia el exterior del cuerpo, como pelos, lana, uñas, garras, picos, plumas, pezuñas y cuernos. Estas estructuras y las capas externas de la piel (Estrato córneo) están constituidas básicamente de queratina, proteína de gran estabilidad, insoluble en agua y resistente a la acción de enzimas proteolíticas. La queratina tiene un importante uso como biomaterial. El tejido conjuntivo tiene como función principal servir de unión y soporte de otros tejidos del cuerpo. Está formado por células embebidas en una matriz, compuesta normalmente por una red de fibras proteicas en una fase líquida, gelatinosa o sólida. Algunos ejemplos de células son las células adiposas, los fibroblastos (son células que segregan los ingredientes necesarios para formar las fibras), varios tipos de glóbulos blancos o leucocitos (eosinófilos, neutrófilos, monocitos, linfocitos). Los macrófagos son células que fagocitan elementos extraños, residuos o células muertas. Se forman a partir de los monocitos. Las fibras que se forman en este tejido son, fibras de colágeno, fibras elásticas y las fibras reticulares (formadas por colágeno, son delgadas y ramificadas). Se diferencian seis tipos de tejido conjuntivo en vertebrados: Adiposo, hueso, sangre, cartílago, laxo, fibroso o denso. El tejido conjuntivo laxo es el tejido conjuntivo más abundante en el cuerpo humano. Une el epitelio al cuerpo y sujeta los órganos en su sitio. El tejido conjuntivo fibroso es denso y poco elástico. Las fibras se agrupan en haces. Aparece en tendones y ligamentos. Los tendones unen los músculos a los huesos y transmiten la fuerza resultante de la contracción muscular, lo que posibilita el movimiento. Los ligamentos conectan entre sí los distintos huesos de una articulación. En el cartílago la matriz está formada por un complejo de proteínas y carbohidratos y tienen consistencia gelatinos. Constituye un material de soporte fuerte y flexible. Forma el esqueleto en etapa embrionaria; después es reemplazado por el tejido óseo (aunque se mantienen en algunos puntos, por ejemplo entre las articulaciones). Algunos vertebrados, como el tiburón, mantienen en estado adulto un esqueleto cartilaginosos. LA células se llaman condrocitos, aparecen aisladas en pequeñas lagunas. Este tejido no está vascularizado: las células reciben oxígeno y alimentos por difusión en la matriz. El tejido óseo es un tejido conjuntivo mineralizado. La matriz está formada por fibras de colágeno y depósitos de minerales (Ca2+, Mg2+,PO​4​3-, CO​3​2-). Las funciones son: Soporte estructural para la acción de otros tejidos más blandos. Protección. Alojamiento de tejidos especializados, como la médula. Reserva de alimentos minerales: juegan un papel relevante en la homeostasis (capacidad de algunos 82 animales de mantener un medio interno relativamente estable, en cuanto a temperatura y composición de fluidos internos). La estructura microscópica del hueso en mamíferos muestra la repetición de unidades llamadas osteonas. Los elementos minerales se depositan en capas concéntricas alrededor de nervios o vasos sanguíneos. El tejido óseo tiene muchas de las propiedades de materiales como la fibra de vidrio, en los que la matriz confiere rigidez, dureza y resistencia a la compresión y las fibras de colágeno asociadas, resistencia a la tracción. Es también moderadamente elástico, una propiedad importante para soportar golpes y que varía en función de la composición. La concentración de calcio y fosfato en sangre deben mantenerse en unos límites estrictos para garantizar: El normal funcionamiento de la función neuromuscular y conexiones entre neuronas, la integridad de las membranas plasmáticas y su permeabilidad, coagulación de sangre. Mediante control hormonal se consigue aumentar/Reducir la reserva de iones en el tejido óseo en función de su presencia en sangre. El tejido adiposo almacena grasa en forma de grandes gotas que pueden llegar a ocupar prácticamente todo el volumen celular. Se encuentra bajo la piel y en depósitos entre los músculos o rodeada de algunos órganos, cumpliendo funciones de almacenamiento de energía y de protección frente a golpes o roces, actuando como un colchón. La sangre tiene una matriz líquida (plasma) compuesta de agua, sales y proteínas y células especializadas: glóbulos rojos (eritrocitos), glóbulos blancos (leucocitos) y plaquetas. A diferencia de otros tipos de tejido conjuntivo, la sangre no presenta una red de fibras proteicas en la matriz líquida. Únicamente en el proceso de coagulación, como respuesta a una herida, se forma una red de fibrina. Las proteínas participan en el proceso de coagulación junto con otras plaquetas. La red de fibras de fibrina, formada a partir del fibrinógeno en reacción catalizada por la trombina. El Ca2+ es el cofactor en reacciones del proceso de coagulación. Eritrocitos: Cuando el glóbulo rojo de un mamífero madura, expulsa su núcleo y sus mitocondrias, mientras que las demás estructuras internas se desintegran. Casi todo su volumen queda ocupado por hemoglobina. La vida media de los glóbulos rojo es corta (120-130 días). Los glóbulos blancos defienden el organismo contra virus, bacterias y partículas extrañas, y a menudo son destruidos en el proceso de lucha contra una infección. De ahí la necesidad de una reposición constante de estas células sanguíneas, Las plaquetas se encuentran en la sangre de mamíferos. Son numerosas, pero más pequeñas que las otras células presentes en la sangre. Se forman en la médula ósea. Carecen de núcleo y tienen una vida media de unos diez días. Las plaquetas activadas se vuelven pegajosas y liberan sustancias que atraen otras plaquetas. Como parte del sistema circulatorio la sangre transporta nutrientes, hormonas y oxígeno y lleva los productos de desecho hasta los órganos encargados de su eliminación; ayuda a mantener el balance hídrico, un pH adecuado y a distribuir el calor en el cuerpo y se encarga de la defensa del organismo frente a elementos extraños. El tejido muscular es el responsable de todos los tipos de movimiento. Sus células (fibras) son alargadas y contienen las proteínas actina y miosina. Es el tejido más abundante en muchos animales. En vertebrados se diferencian tres tipos de tejido muscular: liso, estriado y cardiaco (Estrado no voluntario). En vertebrados encontramos músculo liso fundamentalmente en las paredes de órganos huecos, como los vasos sanguíneos o los órganos del tracto digestivo (esófago, estómago, intestino). Peristalsis: Ondas rítmicas de contracción y relajación muscular en las paredes de órganos tubulares huevos, como los uréteres o las partes del tubo digestivo, que desplazan el contenido a lo largo del tubo. En el músculo liso, los filamentos de actina y miosina no se disponen según un patrón regular, por lo que el tejido no tiene apariencia estriada. A diferencia del músculo estriado, no existen un control voluntario de la contracción del músculo liso o estriado cardiaco. 83 Los músculos estriados están formados por haces de células alargadas. Al microscopio se pueden apreciar los sarcómeros, responsables de la contracción del músculo que posibilita el movimiento voluntario. El Sarcómero es la unidad contráctil del músculo. Incluye bandas con filamentos proteicos delgados (actina), delgados y gruesos o solo gruesos (miosina): aspecto estriado. Los núcleos aparecen al borde de las células. En el citoplasma de cada célula muscular hay 1000-2000 miofibrillas, formadas por microfilamentos de actina y miosina. Las fibras que constituyen el tejido muscular cardiaco se ramifican y conectan entre sí en los discos intercalares, que permiten la transmisión de señales entre células y un movimiento sincronizado. El músculo liso se encuentra en las paredes del tracto digestivo, vejiga, arterias… La longitud de los filamentos de actina y miosina no cambia durante la contracción relajación. 1. Las cabezas de miosina en configuración de mínima energía. 2. Con gasto de ATP adoptan configuración de máxima energía. 3. La cabeza de miosina se une en sitio específico de la actina. Se liberan ADP y Pi, la cabeza recupera la configuración de mínima energía, provocando el deslizamiento de los filamentos. Cada molécula está formada por una porción alargada (cola( y otra globular (cabeza). El calcio y las proteínas tropomiosina y troponina regulan los movimientos musculares. Cuando el músculo está en reposo, la tropomiosina cubre los sitios de unión actina-miosina. Cuando aumenta la concentración de Ca2+ en citosol, se une al complejo de troponina, lo que expone los sitios de unión y por tanto posibilita la contracción muscular. Las neuronas motoras inducen contracción muscular generando un cambio en el potencial de membrana que provoca la apertura de canales Ca2+ en el retículo sarcoplasmático (tipo especializado del retículo endoplasmático presente en las células musculares). La apertura de canales favorece una salida de Ca2+ del lumen del retículo (donde estaba en mayor concentración) al citosol. Mientras se mantenga una concentración comparativamente alta de calcio en el citosol, la miosina se podrá unir a la actina y, con gasto de ATP, provocar contracción muscular. Cuando cesa el estímulo neuronal se cierran los canales calcio y se reduce la concentración de calcio en el citosol mediante un transporte activo (bombas de calcio presentes en la membrana del retículo sarcoplasmático, que almacena el calcio en el lumen). El músculo entra en reposo. Todo esto se realiza en milisegundos. El tejido nervioso tiene como funciones percibir estímulos y transmitir señales entre distintos puntos del cuerpo. Incluye las neuronas y las células de glía. Las neuronas tienen dendritas, cuerpo y axón. Las células de glía funcionan como células de mantenimiento: producen la vaina de mielina, actúan como tejido de sostén, facilitan la eliminación de deshechos y facilitan la nutrición y contribuyen a la defensa de las neuronas. 84 Tema 20: Diferenciación celular y tipos de tejidos. Parte B. El sistema digestivo es un conjunto de órganos encargados de procesar los alimentos. Los alimentos proporcionan energía química, moléculas orgánicas y nutrientes esenciales. Las necesidades nutritivas varían entre especies y a lo largo del ciclo vital. Hay materiales que los seres vivos necesitan pero no pueden sintetizar: Aminoácidos esenciales, la mayoría de las especies animales pueden sintetizar solo el 50% de los aminoácidos. Los otros deben ingerirlos. Ácidos grasos esenciales. Vitaminas y minerales se necesitan en cantidades pequeñas, pero tienen que ser ingeridos. Los nutrientes esenciales son minerales que se necesitan en pequeñas cantidades, pero que deben ser ingeridos con el alimento. Las etapas del procesamiento de los alimentos en el sistema digestivo son: Ingestión - Digestión - Absorción - Eliminación. La digestión es el proceso de hidrólisis enzimática que tiene lugar en distintos órganos del aparato digestivo bajo control hormonal. Rompe las moléculas que constituyen los alimentos en moléculas más pequeñas que pueden ser absorbidas. En la boca: la saliva tiene amilasas, enzimas que catalizan la hidrólisis de almidón y glucógeno en maltosa y polisacáridos más cortos. En el estómago: la pepsina transforma las proteínas en polipéptidos. En el intestino: Están las enzimas secretadas por el páncreas. La tripsina ataca los polipéptidos más cortos. Las carboxipeptidasas cambia los polipéptidos en aminoácidos. Las amilasas transforma de polisacáridos a disacáridos. Las nucleasas pasan de ácidos nucleicos a nucleótidos. Las lipasas transforman las grasas a glicerol, ácidos grasos, monoglicéridos… La digestión enzimática opera bajo control hormonal: La gastrina (hormona producida en el estómago), secretina (producida en el duodeno) regulan la producción de jugos gástricos y movimientos peristálticos (inicio de la digestión en el estómago) y la producción de bicarbonato sódico en el páncreas (salida de alimento del estómago) para evitar daños en el intestino por la acidez de los jugos gástricos. En el sistema digestivo hay: boca, faringe, esófago, estómago, hígado, vesícula biliar, páncreas, intestino delgado (duodeno, yeyuno, íleon) intestino grueso (ciego, colon, recto, ano). En el intestino hay microvellosidades intestinales (SEM) que aumentan la superficie de absorción de nutrientes. Esto se hace haciendo dobleces en forma de dedos. Dentro de cada vello las células tienen también más vellosidades. Adaptaciones a distintos hábitos alimentarios, por ejemplo el estómago de un rumiante se divide en cuatro cavidades, en las que se localizan microorganismos simbiontes (protistas, procariotas) que poseen enzimas capaces de hidrolizar la celulosa. El rumiante ingiere una parte de estos microorganismos que complementan su dieta. La función del sistema circulatorio es el transporte de gases, nutrientes y productos metabólicos a distintas partes del organismo. En vertebrados la sangre llega al corazón por las venas y entra en la aurícula. La sangre es bombeada desde el ventrículo y sale del corazón por las arterias. 85 El sistema circulatorio en vertebrados está formado por: corazón, vasos sanguíneos (arterias, arteriolas, venas, vénulas, capilares) y sangre. A diferencia de muchos invertebrados, los vertebrados tienen un sistema circulatorio cerrado: la sangre fluye por un sistema continuo de vasos sanguíneos. En peces el corazón solo tiene un ventrículo y una aurícula, salvo el caso en especial del Lungfish (pez pulmón), que tiene pulmones rudimentarios que le permiten sobrevivir en aguas pobres en oxígeno (a cambio tiene que subir a la superficie a respirar). Eso es conocido como circulación simple. En anfibios, reptiles, mamíferos y aves hay circulación doble. En el caso de anfibios el corazón tiene tres cavidades. Un ventrículo y dos aurículas. En el caso de los reptiles tienen división parcial del ventrículo. En cocodrilos la división es completa. En mamíferos y aves la circulación doble permite una mayor presión en el flujo sanguíneo que riega los distintos órganos del cuerpo que la circulación simple. El corazón con dos aurículas y dos ventrículos es una importante adaptación para los individuos endotermos. Los ectotermos son seres vivos que utilizan fundamentalmente fuentes externas de calor para regular su temperatura. Los endotermos son seres vivos que obtienen calor corporal fundamentalmente de su propio metabolismo. No son estrategias alternativas: un endotermo también puede calentarse al sol. La circulación sanguínea en mamíferos: Todas las células necesitan oxígeno. Sin oxígeno mueren a los pocos minutos. El corazón es el órgano responsable de bombear la sangre. Está formado por tejido muscular cardiaco. Las aurículas tienen paredes relativamente delgadas. Los ventrículos tienen paredes gruesas y se contraen con fuerza, especialmente el izquierdo, del que sale la sangre hacia los distintos órganos del cuerpo. Cuatro válvulas previenen el reflujo de la sangre (dos entre aurículas y ventrículos y otras dos en el arranque de las arterias. El corazón se contrae y se relaja con un ritmo cíclico (el ritmo cardiaco). La fase de contracción se llama sístole y la de relajación diástole. En la especie humana se mueven unos 5 L de sangre por minuto. El ritmo cardiaco es inversamente proporcional al tamaño, cuanto más pequeño es el organismo más ritmo. Ciclo cardíaco: dura unos 0,8s en un adulto a 70-75 pulsaciones por minuto. 1. Las aurículas en sístole: sangre a ventrículos (0.1s). 2. Los ventrículos en sístole, aurículas en diástole. La sangre sale por las arterias pulmonar y aorta. (0.3s) 3. Las aurículas y ventrículos en diástole, la sangre llega por las venas y entra en aurículas y ventrículos. (0.4s) Las aurículas permanecen en diástole, recibiendo sangre de las venas durante la mayor parte del ciclo cardiaco. Estructura de los vasos sanguíneos: El sistema circulatorio de los vertebrados presenta tres tipos principales de vasos sanguíneos: arterias, capilares y venas. La pared de una arterio o una vena tiene tres capas. La más interna, que reviste el vaso sanguíneo, está formada principalmente de endotelio un tejido parecido al tejido epitelial escamoso. La capa media está formada por un tejido conjuntivo y células de músculo liso y la capa externa por tejido conjuntivo, rico en fibras elásticas y de colágeno. Los gases y nutrientes no pueden pasar a través de las gruesas paredes de las arterias y venas. Las sustancias son intercambiadas entre la sangre y el líquido intersticial que baña las células a través de las paredes de los capilares, de una sola célula de espesor. La longitud total de capilares del cuerpo se estima de 96Mm. 86  A igual diámetro exterior la pared de las arterias es una 3 veces más gruesa que la de las venas debido a la presión extra que tienen que soportar. Las válvulas mantienen el flujo unidireccional. El tejido conectivo (conjuntivo) tiene fibras elásticas que facilitan que no se rompan los vasos. El diámetro de los capilares el ligeramente mayor que el de un glóbulo rojo. Sus paredes con muy delgadas para facilitar el intercambio de sustancias. Las pare