Guía de Biología 2023-2024 (Universidad Autónoma de Chiriquí)

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIRIQUÍ FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS COMISION DE PREINGRESO GUIA PARA EL REFORZAMIENTO DE BIOLOGIA 2023-2024 ...

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIRIQUÍ FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS COMISION DE PREINGRESO GUIA PARA EL REFORZAMIENTO DE BIOLOGIA 2023-2024  2 GUIA BIOLOGÍA Tabla de contenido UNIDAD 1. CONCEPTO E IMPORTANCIA DE LA CIENCIA Y LA BIOLOGÍA.... 5 Concepto e importancia de la ciencia y la biología.............................................. 5 Campos de estudio de la biología........................................................................ 5 El método científico............................................................................................. 6 Pasos del método científico................................................................................. 7 RESUMEN......................................................................................................... 10 ACTIVIDAD........................................................................................................ 11 UNIDAD 2. CONSTITUYENTES QUÍMICOS DE LOS SERES VIVOS................. 12 Principales constituyentes químicos de los seres vivos:.................................... 12 Compuestos inorgánicos................................................................................... 12 Compuestos orgánicos...................................................................................... 13 RESUMEN......................................................................................................... 18 UNIDAD 3. CARACTERÍSTICAS Y NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SISTEMAS VIVIENTES......................................................................................... 20 Características de los seres vivos...................................................................... 20 Niveles de organización de los sistemas vivientes............................................ 21 RESUMEN......................................................................................................... 22 ACTIVIDADES................................................................................................... 22 UNIDAD 4. ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LAS ORGANELAS CELULARES......................................................................................................... 23 Organización celular.......................................................................................... 23 Mecanismos de transporte a través de la membrana........................................ 25 Organelos citoplasmáticos: estructura y función................................................ 31 RESUMEN......................................................................................................... 34 Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  3 GUIA BIOLOGÍA ACTIVIDAD........................................................................................................ 34 UNIDAD 5. LOS PROCESOS METABÓLICOS.................................................... 36 Los procesos metabólicos................................................................................. 36 Tarea................................................................................................................. 42 RESUMEN......................................................................................................... 45 ACTIVIDADES................................................................................................... 47 UNIDAD 6. PRINCIPIOS DE GENÉTICA.............................................................. 48 Genética............................................................................................................ 48 Leyes de la herencia.......................................................................................... 48 Cromosomas y genes........................................................................................ 52 ADN................................................................................................................... 54 RESUMEN......................................................................................................... 59 ACTIVIDADES................................................................................................... 60 UNIDAD 7. DIVISIÓN CELULAR Y REPRODUCCIÓN........................................ 61 Reproducción celular......................................................................................... 61 El ciclo celular.................................................................................................... 61 Mitosis............................................................................................................... 63 MEIOSIS....................................................................................... 64 Reproducción..................................................................................................... 65 ACTIVIDADES................................................................................................... 73 UNIDAD 8.............................................................................................................. 74 CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS............................................................ 74 Los seres vivos.................................................................................................. 74 Características que agrupan a los organismos en los cinco reinos................... 75 RESUMEN......................................................................................................... 76 Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  4 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 9.............................................................................................................. 78 PRINCIPIOS DE ECOLOGÍA................................................................................ 78 Ecología............................................................................................................. 78 Actividades........................................................................................................ 81 BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA....................................................................... 82 Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  5 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 1. CONCEPTO E IMPORTANCIA DE LA CIENCIA Y LA BIOLOGÍA Concepto e importancia de la ciencia y la biología. La ciencia es el resultado de la investigación, busca interpretar el mundo que nos rodea; investiga principios de orden. Difiere del arte, la religión y la filosofía en que su búsqueda se limita al mundo natural, el universo físico. La biología es una ciencia y sus principios y métodos son los de cualquier otra ciencia. De hecho, un principio básico de la biología moderna es que los seres vivos obedecen a las mismas leyes de la física y la química que rigen la materia inanimada. La biología se ocupa del estudio de los seres vivos y todas sus transformaciones; estudia las múltiples formas que pueden adoptar los seres vivos, así como su estructura, función, evolución, crecimiento y relaciones con el medio ambiente. Toda investigación científica, incluida la biología, se basa en un conjunto pequeño de supuestos. Aunque nunca podemos demostrar absolutamente esos supuestos, se les ha probado y validado de forma tan exhaustiva que podríamos llamarlos principios científicos. Se trata de los principios de causalidad natural, uniformidad en el espacio y tiempo y percepción común. Campos de estudio de la biología: La biología abarca un amplio espectro de campos de estudio que, a menudo, se tratan como disciplinas independientes. Entre ellas podemos mencionar las siguientes:  A escala atómica y molecular: Biología molecular, la bioquímica y la genética molecular. A escala Celular: Biología celular. A nivel pluricelular: Se estudia la vida en la fisiología, anatomía, histología, embriología o biología de desarrollo. A nivel de organismos: - Genética: trata del funcionamiento de la herencia genética de los padres a su descendencia. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  6 GUIA BIOLOGÍA - Etología: estudia el comportamiento de los grupos o individuos. - Ecología: estudia las interacciones que los organismos establecen unos con otros y con su ambiente físico. - Biología evolutiva: Serie de cambios en el reservorio de una generación - a la siguiente como consecuencia de procesos como la mutación, la - selección natural, el apareamiento no aleatorio y la deriva genética. - Astrobiología o (xenobiología): Estudia la posibilidad de la vida más allá de la tierra. En la actualidad, el desarrollo humano ha hecho que cada una de las ciencias, para explicar los fenómenos, se tenga que relacionar con otras ciencias, lo cual, en el caso de la biología ha dado origen a nuevas ciencias, por ejemplo: Biogeografía, bioestadística, biofísica y bioquímica.  Biogeografía: Nos indica la distribución de animales y vegetales en la Tierra.  Bioestadística: Aplicación de análisis estadísticos a fenómenos asociados con la biología.  Biofísica: Estudia la biología con los principios y métodos de la física.  Bioquímica: Es una ciencia que apoya a la Biología en el estudio de las funciones que realizan los organismos y junto con la Biofísica, explican fenómenos como la respiración, la nutrición, la fotosíntesis, etc. El método científico: El método científico es un proceso destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen los fenómenos físicos del mundo y permitan obtener, con estos conocimientos, aplicaciones útiles al hombre. Los científicos emplean el método científico como una forma planificada de trabajar. Sus logros son acumulativos y han llevado a la humanidad al momento cultural actual. Por lo general, la investigación científica se lleva a cabo bajo ciertos pasos ordenados, los cuales se han desarrollado a través de muchos años y se ha Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  7 GUIA BIOLOGÍA observado que producen resultados precisos, así, los pasos en el método científico pueden pensarse como el método lógico y ordenado de resolver un problema o dar respuesta a una pregunta. No hay un “método científico” único en biología; en cambio hay una multiplicidad de métodos. Algunos factores son comunes a todos: una idea brillante del hombre, el trabajo complementario de los científicos y de las ciencias, la verificabilidad, la utilización de herramientas matemáticas, etc. Pasos del método científico: 1. Observación: Consiste en el uso de los sentidos o de equipo que permita mejorar la sensibilidad de estos, cuando se estudian fenómenos biológicos. La observación puede ser cualitativas o cuantitativas. 2. Definición del problema: No se puede resolver un problema si primero no es delimitado. 3. Antecedentes del problema: Recolección de información acerca del problema. Los científicos deben obtener información a partir de la ya obtenida por otros científicos, si no fuera así, la ciencia no podría avanzar, más de lo que aprendería una persona en su vida. Antes de comenzar un experimento, el científico estudia toda la información sobre el problema. Con frecuencia encuentra que alguien ha contestado ya muchas de las preguntas involucradas. Por ésta razón, una biblioteca con publicaciones científicas, revistas y libros es una parte importante de un centro de investigación. Después de recolectar información y hacer observaciones, el científico construye una explicación funcional o una respuesta probable al problema. 4. Hipótesis: Es un supuesto basado en observaciones previas que se ofrece como explicación del fenómeno o problema. Para ser útil, la hipótesis debe conducir a predicciones susceptibles de probarse con observaciones controladas adicionales, o experimentos. Aunque una prueba clave de predicción puede demostrar que una hipótesis es falsa o indicar que debe ser modificada, nunca puede confirmar claramente de una vez por todas, que una hipótesis es verdadera, simplemente porque no podemos estar nunca seguros de que hemos examinado toda la evidencia relevante. Sin embargo, repetidas pruebas exitosas de una hipótesis ya sea directamente o en función Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  8 GUIA BIOLOGÍA de las consecuencias que ocurrirán si la hipótesis fuese correcta, proporcionan una evidencia poderosa en favor de la hipótesis. 5. Experimentación: El científico tiene que diseñar experimentos que apoyen o refuten la hipótesis. Los experimentos simples prueban la afirmación de que un solo factor, o variable, es la causa de una sola observación. Para ser científicamente válido, el experimento debe descartar otras posibles variables como causa de la observación. Por ello, los científicos incorporan controles en el diseño de sus experimentos, en los que todas las variables permanecen constantes. Luego, los controles se comparan con la situación experimental, en la que sólo cambia la variable que se está probando. Un solo experimento, nunca es una base suficiente para una conclusión; los resultados deben ser reproducibles no sólo por el investigador original, sino también por otros. 6. Observación y registro de los datos del experimento: Todo lo concerniente al experimento debe registrarse con precisión. ¿Cómo se planeó y se montó?, ¿Bajo qué condiciones se llevó a cabo?, ¿Qué pasó durante el experimento? Y por último, ¿Cuáles fueron los resultados?. El registro puede incluir notas, dibujos, tablas, gráficas o alguna otra información. Estos hechos registrados son los datos. En la investigación moderna, estos datos son procesados en una computadora. Los datos tienen valor sólo cuando se sacan conclusiones válidas de ellos. Tales conclusiones deben estar por completo basadas en los hechos observados en el experimento..Si los datos son suficientemente interesantes o la hipótesis es importante, las observaciones o los experimentos serán repetidos en un intento para confirmarla, negarla, o ampliarla. En consecuencia los científicos siempre comunican los métodos que usaron para reunir y analizar datos, así como sus conclusiones. Si otros experimentos continúan apoyando la hipótesis, ésta pude llegar a constituir una teoría. Los datos tienen valor sólo cuando se sacan conclusiones válidas de ellos. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  9 GUIA BIOLOGÍA Las conclusiones científicas siempre deben ser tentativas y estar sujetas a modificación si nuevas observaciones o experimentos así lo exigen. 7. Teoría: Es una hipótesis que está apoyada por evidencia experimental durante un largo periodo de tiempo. Es una explicación general de los fenómenos naturales importantes, desarrollada a través de extensas observaciones reproducibles. Explica los hechos y también hace posible la predicción de nuevos descubrimientos. 8. Ley o principio: Una teoría que ha resistido repetidas pruebas durante un periodo dado se eleva el status de ley o principio, aunque no siempre se lo identifique como tal. Por bien diseñado que esté un experimento, de nada sirve si no se comunica. Si los experimentos no se dan a conocer a otros científicos, con los suficientes pormenores como para que puedan repetirse, no será posible verificar las conclusiones. Sin verificación, los hallazgos científicos no pueden utilizarse con seguridad como base de nuevas hipótesis y experimentos adicionales. Por bien diseñado que esté un experimento, de nada sirve si no se comunica. Un aspecto admirable de la investigación científica es que cuando un científico llega a una conclusión, ésta hace surgir de inmediato más preguntas que dan pie a otras hipótesis y más experimentos. La ciencia es una búsqueda interminable de conocimiento. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  10 GUIA BIOLOGÍA RESUMEN  La ciencia es el resultado de la investigación, busca la manera de interpretar el mundo que nos rodea; investiga principios de orden.  La biología estudia las múltiples formas que pueden adoptar los seres vivos, así como su estructura, función, evolución, crecimiento y relaciones con el medio ambiente.  La biología es una ciencia que abarca un amplio espectro de campos de estudio que, a menudo, se tratan como disciplinas independientes.  La biogeografía, bioestadística, biofísica y bioquímica son el producto de la relación de la biología con otras ciencias.  El método científico es un proceso destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen los fenómenos físicos del mundo y permitan obtener, con estos conocimientos, aplicaciones útiles al hombre.  La base del método científico y la fuente última de todos los descubrimientos de la ciencia es la observación cuidadosa y precisa.  No se puede resolver un problema si primero no es delimitado.  La hipótesis es un supuesto basado en observaciones previas que se ofrece como explicación del fenómeno o problema.  Los científicos deben obtener información a partir de la ya obtenida por otros científicos.  Un solo experimento, nunca es una base suficiente para una conclusión; los resultados deben ser reproducibles no sólo por el investigador original, sino también por otros.  Los datos tienen valor sólo cuando se sacan conclusiones válidas de ellos.  Las conclusiones científicas siempre deben ser tentativas y estar sujetas a modificación si nuevas observaciones o experimentos así lo exigen.  Una teoría es una explicación general de los fenómenos naturales importantes, desarrollada a través de extensas observaciones reproducibles. Explica los hechos y también hace posible la predicción de nuevos descubrimientos.  Por bien diseñado que esté un experimento, de nada sirve si no se comunica. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  11 GUIA BIOLOGÍA ACTIVIDAD Después de haber analizado el texto cognitivo, estás convencido que puedes aplicar el método científico, no sólo para generar nuevos conocimientos, sino también para resolver problemas cotidianos. La siguiente evaluación te permitirá poner en práctica lo aprendido. EVALUACIÓN FORMATIVA: Qué pasos daría usted para explicar el motivo por el cual al subir a su auto, éste no arranca. Aplique el método científico en la resolución de éste problema. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  12 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 2. CONSTITUYENTES QUÍMICOS DE LOS SERES VIVOS. Principales constituyentes químicos de los seres vivos: Todos los seres vivos son una combinación de compuestos orgánicos e inorgánicos integrados y ordenados, de tal manera que forman la materia necesaria para que se realicen con precisión los distintos procesos funcionales que son esenciales para la vida. Entre los principales elementos que forman el cuerpo de los seres vivos destacan cuatro, éstos son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Por su constitución, los compuestos pueden agruparse en dos tipos: orgánicos e inorgánicos. Los orgánicos se caracterizan porque en su composición interviene el carbono, además de otros elementos. Los compuestos en cuya composición no aparece este elemento se llaman inorgánicos. Hay algunas excepciones: por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) es un compuesto inorgánico, aunque en su composición aparezca el carbono. Los compuestos inorgánicos que están presentes en los seres vivos son el agua y las sales minerales. Los orgánicos son los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Compuestos inorgánicos. El hidrógeno y el oxígeno se combinan entre sí para constituir el componente celular más abundante: el agua (H2O). Más del 90% del plasma de la sangre es agua; el músculo contiene alrededor del 80% y la mayoría de los tejidos, tanto de las plantas como de los animales, contiene más del 50%. De esta manera, el agua desempeña una función importante en todas las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos. Por ser el componente celular más importante, el agua es un compuesto indispensable para la vida. Los nutrientes que la célula consume, el oxígeno que emplea para oxidarlos y sus propios productos de desecho son transportados por el agua. Las sales minerales están constituidas por elementos como el calcio, sodio, potasio, cloro y magnesio. Estas sustancias se encuentran en pequeñas proporciones en los organismos vivos, pero las funciones que desempeñan son de vital importancia, por ejemplo, son necesarios para que se lleven a cabo los procesos de digestión, respiración y nutrición. Como las sales son muy solubles en Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  13 GUIA BIOLOGÍA agua, se encuentran con facilidad en casi todos los cuerpos de los seres vivos, el suelo o encontrarse como sales en el agua de mar. Los minerales son absorbidos en forma de iones por las raíces de las plantas. Como la mayor parte de los animales, la gente depende de las plantas verdes, que sirven de nexo con éstos compuestos inorgánicos. Las plantas organizan compuestos en los alimentos que la gente usa como fuentes de energía y materiales de construcción. Compuestos orgánicos. De acuerdo con su estructura física, su composición química y los grupos funcionales que contienen, se clasifican en: Glúcidos o hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. GLÚCIDOS Se trata de compuestos orgánicos cuyas moléculas están compuestas por C, O, H; y su estructura química es homogénea. La proporción de átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno es de 2 – 1 como en el agua. Todos tienen un grupo alcohol, y, además, bien grupos aldehído (aldosas)bien grupos cetona (cetosas). Sus funciones son energética y estructural. El número de átomos de C va de 3 a cientos de ellos. Los más sencillos son los azúcares simples o monosacáridos, entre los cuales están las triosas C3H6O3 (gliceraldehído), pentosas C5H10O5(ribosa) y hexosas C6H12O6 (Glucosa, fructosa y galactosa). Éstas últimas son azúcares simples muy conocidos e importantes en biología. La glucosa elaborada por las células de las plantas verdes es el principal combustible tanto en células vegetales como animales. La fructosa y galactosa, también se fabrican en células de las plantas verdes; son similares a la glucosa. Aunque las tres tienen 6 átomos de carbono y una fórmula molecular C6H12O6; sus fórmulas estructurales son diferentes. Los compuestos formados de dos a ocho o nueve unidades de monosacárido se llaman oligosacáridos. Los oligosacáridos más importantes en el metabolismo son los compuestos de dos azúcares o disacáridos. Los disacáridos tienen una fórmula molecular C12H22O11. Resultan de la combinación de dos azúcares simples y la liberación de una molécula de agua. Así tenemos, el azúcar común o sacarosa (fructosa + glucosa), el azúcar de la leche, Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  14 GUIA BIOLOGÍA lactosa (galactosa +glucosa) y maltosa (glucosa + glucosa), azúcar de malta, un producto de la degradación del almidón. Los polisacáridos, están formados por largas cadenas de monosacáridos como la glucosa. Ejemplo: celulosa ,almidón y glucógeno. La celulosa está presente en células vegetales. Aproximadamente 2000 unidades de glucosa poco ramificadas. La celulosa forma una estructura fibrosa y fuerte en las paredes celulares de las plantas que la contienen que la mayoría de los animales no la pueden digerir. El almidón es muy insoluble, almacena reservas de glucosa. Propio de células vegetales como las del maíz, arroz, papa, trigo, etc. El glucógeno, muy parecido al almidón, pero las moléculas están mucho má ramificadas. Almacén reserva de glucosa en las células animales. Se produce en el hígado y se almacena en él y en los músculos. Cuando se necesita combustible extra, el hígado convierte el glucógeno en glucosa. Además de su función estructural y de reserva, los polisacáridos sirven como lubricante y amortiguadores, participan en los sistemas inmunológicos y son fuente de oligo y monosacáridos. Cuando los animales usan carbohidratos en su alimentación, las moléculas se rompen formando otra vez azúcares sencillos. Deben agregarse moléculas de agua para que esto suceda. Este proceso se llama hidrólisis. LÍPIDOS O GRASAS Se llama lípidos a un grupo bastante heterogéneo de moléculas compuestas por C, O, H. sin embargo en los lípidos la relación entre los átomos de hidrógeno y los de oxígeno es mucho mayor que de 2 a 1. Los bloques de construcción usados para formar las grasas son los ácidos grasos y el glicerol. Su único rasgo común claro es el ser hidrófobos (poco solubles en agua), aunque sí se disuelven en disolventes orgánicos (éter, cloroformo, benceno...). Son componentes estructurales de la membrana, aunque también tienen una función energética. Es difícil clasificarlos, uno de los criterios más útiles se basa ensu estructura: lípidos complejos y lípidossencillos. Lípidos complejos: tienen como componentes ácidos grasos +otra molécula. Los ácidos grasos están constituidos por una cadena hidrocarbonada con un grupo Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  15 GUIA BIOLOGÍA carboxilo terminal. Si hay algún doble enlace se dice que están insaturados o no saturados, si solo son enlaces simples entre carbonos se dice que están saturados. Los ácidos grasos insaturados (propios de los vegetales), se funden a temperaturas bajas, por eso son líquidos a temperatura ambiente (aceites vegetales). Los ácidos saturados (propios de los animales), se funden a temperaturas más altas, por eso son sólidos a temperatura ambiente (mantecas). Hay 4 tipos:  Acilglicéridos: ácido graso + glicerina. Función energética.  Fosfoglicéridos: ácido graso + fosfoglicerina. Función estructural de la membrana celular  Esfingoglicéridos: ácido graso + esfingosina. Estos compuestos están relacionados con la transmisión del impulso nervioso e intervienen en mecanismos de inmunidad.  Ceras: ácido graso + un alcohol. Función de protección Los acilglicéridos contienen 1, 2 ó 3 moléculas de ácido graso, que se unen a la glicerina. Los triglicéridos (acilglicéridos con 3 moléculas de ácido graso) es lo que se conoce vulgarmente como grasa. Ésta forma depósitos energéticos, concentrados en las células adiposas de los animales. Las grasas constituyen una importante reserva de alimento.  Lípidos sencillos: no contienen ácidos grasos y son mucho menos abundantes. Destacan los esteroides: presentes en animales y vegetales. Se los clasifica como lípidos por ser hidrófobos. Hay muchos tipos según los grupos funcionales:  Colesterol: esteroide presente en la membrana celular, en el plasma...Aparece sólo en animales, no tiene valor energético, pero si estructural. Su acumulación puede reducir la flexibilidad de los vasos sanguíneos. También hay esteroides que son vitaminas, hormonas sexuales... Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  16 GUIA BIOLOGÍA PROTEÍNAS Son compuestos a base de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y generalmente azufre y fósforo. El elemento característico es el nitrógeno. La molécula de proteína está formada por componentes más simples: los aminoácidos. Hay cerca de 20 aminoácidos comunes; cada uno contiene un grupo amino y un grupo de ácido orgánico. Una de estas uniones se usa para enlazar el átomo de hidrógeno. El segundo enlace se usa para unir el grupo amino y el tercero para unir el grupo ácido. El grupo amino contiene 2 átomos de hidrógeno y un átomo de nitrógeno (-NH). El grupo ácido orgánico contiene 1 átomo de carbono, 2 de oxígeno y 1 de hidrógeno (COOH). La cuarta unión se usa para unir al grupo “R”, que representa al resto de la molécula. Es la identidad “R” lo que hace que los aminoácidos sean diferentes unos de otros. Los aminoácidos pueden unir por medio de síntesis por deshidratación. Un OH del grupo ácido de un aminoácido se une a un H de un grupo amino de otro aminoácido. El H y el OH forman una molécula de agua constituyéndose una unión C-N entre los dos aminoácidos. La unión C -N se llama enlace peptídico. De ésta manera, se unen dos aminoácidos para formar la molécula de un dipéptido. Pueden agregarse aminoácidos adicionales a las moléculas de dipéptido, formando cadenas llamadas polipéptidos. Cada vez que un aminoácido se une a la cadena se elimina una molécula de agua, constituyéndose una unión de proteínas que son polipéptidos grandes y complejos. Los aminoácidos son las “letras” que forman las “palabras” de de la proteína.Una sola molécula de proteína puede tener tan pocas como 50 y tantas como 3000 unidades de aminoácidos. Pueden estar arregladas en cualquiera del gran número de posibles secuencias. El número de posibles combinaciones de aminoácidos es asombroso. Una proteína va a depender del orden, de la cantidad de aminoácidos y de la disposición tridimensional. Los cambios en estas condiciones se conocen como desnaturalización de la proteína. Estos cambios pueden producir la inactivación funcional de la proteína. Pueden ser de tipo físico o de tipo químico: temperatura, pH. La desnaturalización es un proceso reversible cuando el cambio es leve y de poca duración, si es largo e intenso es irreversible. Las proteínas tienen función estructural, ya que forman el material del que está hecho el organismo y funcional, Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  17 GUIA BIOLOGÍA porque llevan a cabo diferentes funciones, por ejemplo, catalíticas, de transporte, de defensa, hormonales, contráctiles, etcétera. ÁCIDOS NUCLEICOS Son macromoléculas, polímeros cuyos monómeros son los nucleótidos. El nucleótido está formado por un azúcar de cinco carbonos (ribosa o desoxirribosa), un grupo fosfato (H3PO4) y una base nitrogenada, sea una purina de doble anillo o una pirimidina de anillo simple. Existen dos variedades de ácidos nucleicos; ácidos ribonucleicos (RNA) y ácidos desoxirribonucleicos (DNA). El DNA contiene las purinas, adenina(A), guanina(G), y las pirimidinas: citosina(C) y timina (T), junto con el azúcar desoxirribosa y el fosfato. NH2 HO O OH O N N HO P OH NH N OH Adenina OH Fosfato Desoxyribosa El RNA contiene las purinas adenina y guanina y las pirimidinas citosina y uracilo (U) junto con el azúcar ribosa y el fosfato. O HO OH O O NH HO P OH O OH NH OH OH Fosfato Uracilo Ribosa Ambos participan en la transmisión de información hereditaria y en la determinación de las proteínas que una célula debe producir. El DNA forma genes, el material hereditario de las células, y contiene instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita. Hay tres tipos de RNA: RNA mensajero (RNAm), RNA de transferencia (RNAt) y RNA ribosómico (RNAr) que actúa en el proceso de síntesis de proteínas. Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  18 GUIA BIOLOGÍA son grandes y complejas moléculas. Fueron aisladas por primera vez en el núcleo celular. RESUMEN  Entre los principales elementos que forman el cuerpo de los seres vivos se mencionan cuatro, éstos son: carbono , hidrógeno , oxígeno y nitrógeno.  El componente celular más abundante es el agua (H2O).  El agua desempeña una función importante en todas las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos.  Los nutrientes que la célula consume, el oxígeno que emplea para oxidarlos y sus propios productos de desecho son transportados por el agua.  Las sales minerales están constituidas por elementos como el calcio, sodio, potasio, cloro y magnesio. Estas sustancias se encuentran en pequeñas proporciones en los organismos vivos, pero las funciones que desempeñan son de vital importancia.  Los compuestos orgánicos más importantes son: Glúcidos o hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.  Los hidratos de carbono más sencillos son los azúcares simples o monosacáridos.  Las hexosas como la glucosa, fructosa y galactosa son los azúcares simples más conocidos y de importancia biológica.  Las funciones de los hidratos de carbono son energética y estructural.  Las grasas constituyen una importante reserva de alimento.  Los bloques de construcción usados para formar las grasas son los ácidos grasos y el glicerol.  Las proteínas son compuestos a base de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y generalmente azufre y fósforo.  Los componentes más simples de las proteínas son los aminoácidos, los cuales se unen por medio de enlaces peptídicos. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  19 GUIA BIOLOGÍA  Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros cuyos monómeros son los nucleótidos. Están formados por un azúcar de cinco carbonos, un grupo fosfato y una base nitrogenada. EVALUACIÓN FORMATIVA : El texto cognitivo y tu investigación personal te debe haber capacitado para responder a las siguientes preguntas: 1- ¿Cuál es la importancia del agua para la vida? 2- ¿Cuáles son los elementos más abundantes en los seres vivos? 3- ¿Cuáles son los compuestos orgánicos cuyas unidades básicas son los aminoácidos? 4- ¿Cuáles son las unidades de construcción de los carbohidratos? 5- Cuando se pierden los elementos del agua al unirse los bloques de construcción en una molécula grande, ¿Qué tipo de reacción se efectúa? 6- ¿Cuáles son los compuestos orgánicos que son insolubles en agua y que contienen C, H y O? 7- Señala con una x los comestibles que contienen hidratos de carbono, de ser posible anota el carbohidrato que contiene. Leche Huevo Lechuga Pan de trigo Miel de abeja Frijol Arroz Papa Lentejas Azúcar 8- ¿Cómo se llaman los azúcares de 5 carbonos? 9- Compara las bases púricas con las pirimidínicas y anota las semejanzas y las diferencias entre ellas. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  20 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 3. CARACTERÍSTICAS Y NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SISTEMAS VIVIENTES Características de los seres vivos La mayoría de los seres vivos u organismos pueden distinguirse fácilmente de la materia no viva, no así, algunas formas de vida inferior. Los seres vivos presentan seis importantes características que lo diferencian de la materia sin vida.  Metabolismo. En los organismos tiene lugar una serie compleja de procesos químicos importantes para digerir y asimilar nutrientes; así como para la producción y gasto de energía.  Crecimiento. Los seres vivos crecen por desarrollo de nuevas partes; este crecimiento por introspección (adición interna) es propio de seres con vida.  Irritabilidad. Los seres vivos reaccionan a cambios ambientales; la respuesta varía de un organismo a otro y, por lo general, no es permanente.  Reproducción. Cada tipo de organismo vivo tiene la capacidad de reproducirse, es decir, tener descendencia.  Forma y tamaño. Cada organismo presenta una forma y un tamaño característico.  Composición química. Los organismos vivientes están constituidos principalmente de cuatro elementos químicos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, en proporciones variadas pero definidas. Estos elementos forman los principales componentes del protoplasma animal o vegetal. Berenstein (1998), incluye otras características como señales de la vida además de las antes mencionadas. a) Organizado en una manera compleja. b) Mantiene un ambiente interno particular. c) Adquiere y usa energía para hacer trabajo. d) Responde a estímulos. e) Mueve por lo menos parte de su cuerpo. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  21 GUIA BIOLOGÍA f) Crece y se desarrolla. g) Se reproduce. h) Posee adaptaciones a su ambiente local. Niveles de organización de los sistemas vivientes Los seres vivos están altamente organizadas. Los científicos han definido los siguientes modelos de organización.  Nivel molecular. Representan asociaciones estrechas de átomos en forma precisa y las cuales forman los compuestos.  Nivel celular. Representan organismos formados por asociaciones de células independientes o que funcionan como una sola célula. Por ejemplo, protozoarios, esponjas.  Nivel tisular. Representan organismos cuyo funcionamiento depende de  agrupaciones celulares con igual función.  Nivel orgánico. Representan organismos cuyo funcionamiento depende de estructuras que agrupan diferentes tejidos; estructuras que presentan diferentes funciones.  Nivel de sistema de órganos. Se refiere a organismos cuyo funcionamiento lo realizan un grupo de órganos en forma coordinada. El organismo, en su totalidad representa el siguiente elevado nivel de organización, pero éste no es el punto final. Al igual que las células, los tejidos y los órganos, los organismos se pueden agrupar. Los grupos de organismo que se pueden interfecundas en forma natural se denominan poblaciones. Las diferentes poblaciones viven juntas en comunidades y muchas comunidades con las mismas formas de vida constituyen un bioma. Todos los biomas del mundo constituyen el complejo nivel de organización, la biosfera, que es el área total de vida. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  22 GUIA BIOLOGÍA RESUMEN  Los seres vivos poseen varias características que los distinguen de la materia no viva. Ellos metabolizan, son irritables, interactúan con el medio que los rodea, crecen, se reproducen y mueren.  Los seres vivos están altamente organizados. Se parte del nivel molecular luego el celular. La célula es la unidad básica estructural de los seres vivos.  Algunos organismos como protozoarios y esponjas, están ubicadas en el nivel celular de organización.  Después del nivel celular está el tisular, el orgánico y el sistema de órganos.  El organismo en su totalidad constituye un nivel superior de organización, seguido por las poblaciones, comunidades, biomas hasta el complejo nivel de organización “biosfera”. ACTIVIDADES Después de haber estudiado en forma analítica las características y niveles de organización de los sistemas vivientes, estás en capacidad de realizar la siguiente evaluación. EVALUACIÓN FORMATIVA 1. Enumere y examine las características de los seres vivos. 2. ¿Explique cómo se organizan los seres vivos en la naturaleza? 3. ¿Estás de acuerdo con la organización presentada en el texto cognitivo? De no ser así, haz tus sugerencias. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  23 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 4. ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LAS ORGANELAS CELULARES Organización celular La célula puede ser definida como la unidad mínima estructural y funcional de materia viviente que presenta continuidad genética. La primera célula fue observada por Roberto Hoocke en 1665. Posteriormente se descubrió la celularidad de muchos organismos con el uso del microscopio de luz y se propuso, además, la Teoría Celular, la cual se atribuye a Mathias Schleiden (1838) y Theodor Schwann (1839), Rudolf Virchow (1858) presentado los siguientes postulados:  Todos los seres vivos están integrados por células y productos celulares.  Toda célula proviene de células preexistentes.  Existen similitudes en los constituyentes químicos y el metabolismo de las células.  La actividad de un organismo, como un todo, puede entenderse como el conjunto de actividades colectivas e interacciones de sus unidades celulares interdependientes. Existe una enorme variedad de células; el ser humano tiene aproximadamente 100 tipos de células distintos y se les puede agrupar en unos cuantos modelos básicos. Una forma de células: eucariotas o procariotas. La célula procariota es generalmente más pequeña que la eucariota y carece de membrana nuclear. Además, no presenta organelas membranosas. Ello puede observarse en las bacterias y algas verdes-azules (cianobacterias); las cuales se agrupan dentro del reino monera. Las células eucariotas se encuentran presentes en los reinos protista, fungi, animal y vegetal. Esta célula posee membrana nuclear y numerosas organelas membranosas. Las células vegetales se diferencian de las animales por presentar adicional a la membrana celular una pared rígida externa de celulosa llamada pared celular. Esta pared evita cambios en su forma y posición. Además las células vegetales contienen plastidios, estructuras delimitadas por una Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  24 GUIA BIOLOGÍA membrana que producen y almacenan alimento. Los más comunes y abundantes son los cloroplastos. Carecen de ciertos organelos complejos como son centriolos y lisosomas. La mayoría de las células son microscópicas; siendo para la célula animal de 15 micrómetros (μm) en promedio y de 40 μm para la célula vegetal. Su forma varía según la función que realice y se encuentran delimitadas por la membrana celular. El material que se ubica entre la membrana y el núcleo se conoce como citoplasma; y en el mismo se ubican organelas que se pueden clasificar en la siguiente forma: Organelas relacionadas con microtúbulos: centríolos, cilios y flagelos. Organelas membranosos: complejo de Golgi, retículo endoplasmático, vacuolas, lisosomas, mitocondrias y cloroplastos. El líquido intracelular es el citosol; el cual está formado principalmente por agua, aminoácidos, azúcares, enzimas, proteínas estructurales e iones como:sodio, potasio, magnesio, manganeso y cloro, entre otros. ESTRUCTURA CELULAR Analizaremos cada una de las estructuras que constituyen la célula por separado. Membrana celular: Es la capa más externa que delimita la célula y la protege de su medio ambiente. Es una estructura dinámica, es decir que no es rígida, sino que ella puede cambiar de acuerdo a las condiciones del medio. Regula el paso de sustancias hacia el interior o exterior de la célula, es decir, controla de manera selectiva la entrada y salida de materiales a la célula; además participa en el mecanismo de reconocimiento celular y comunica las células por medio de proteínas receptoras que se fijan en su superficie. Se pensaba que estaba formada por una bicapa de lípidos y una capa intermedia de proteínas (Modelo de Dawson- Danielli). Actualmente, gracias a los estudios de microscopía electrónica, Singer y Nicholson propusieron el Modelo del Mosaico Fluido; el cual explica mejor la naturaleza dinámica de las proteínas en el modelo. Según este modelo, las proteínas pueden Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  25 GUIA BIOLOGÍA ubicarse extrínseca e intrínsecamente; las estructuras primarias y terciaria son congruentes con la posición de ellas en la membrana. Además, los fosfolípidos las proteínas tienen capacidad de movimiento lateral; y en casi todas las membranas celulares animales se presentan glucoproteínas que forman un glucocáliz que interviene en reacciones inmunológicas y receptores, a los cuales se fijan sustancias que regulan la actividad celular. Otros de los procesos en los que participa la membrana celular son endocitosis, fagocitosis, pinocitosis y exocitosis. En las células animales la membrana plasmática está reforzada por una cubierta celular formada por proteínas, grasas y carbohidratos, la cual facilita que las células se reconozcan entre sí,para que se asocien y formen tejidos. Fig.3 Representación esquemática de la estructura de la membrana celular. Tomado de monografías.com/trabajo 42/ membranas celulares. Mecanismos de transporte a través de la membrana: La célula necesita expulsar de su interior los desechos del metabolismo y adquirir nutrientes del líquido extracelular,gracias a la capacidad de la membrana celular que permite el paso o salida de manera selectiva de algunas sustancias. Esto quiere Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  26 GUIA BIOLOGÍA decir que sólo ciertos tipos de sustancias pueden atravesar ésta con facilidad. El paso de una sustancia a través de la membrana puede verse afectado por: a- El tamaño de la molécula: Generalmente las moléculas grandes no pueden pasar con facilidad la membrana. b- La solubilidad de la membrana: Las moléculas solubles en grasa o liposolubles pasan con facilidad la membrana; mientras que las solubles en agua o hidrosolubles lo hacen con mucha dificultad. c- La carga de las moléculas: generalmente las moléculas con cargas iones pasan con mucha dificultad la membrana, principalmente aquellas d- con cargas positivas que repelen a éste tipo de moléculas. El transporte de sustancias a través de la membrana de acuerdo a la energía involucrada en su movimiento es dedos tipos: pasivo y activo. TRANSPORTE PASIVO O DIFUSIÓN El transporte pasivo se cumple a través de los componentes de la bicapa lipídica o a través de estructuras especiales, constituidas por proteínas transmembranosas organizadas para el paso de los solutos; estas estructuras son de dos tipos: los canales iónicos y las proteasas, llamadas también transportadores carriers (en inglés). El transporte pasivo no necesita de energía por parte de la célula, para el intercambio de materiales a través de la membrana celular. Existen dos tipos de difusión a través de la membrana celular que son: Difusión simple: Es el movimiento cinético de moléculas o iones a través de la membrana sin necesidad de fijación con proteínas portadoras de la bicapa lipídica. Así entran moléculas lipídicas como las hormonas, esteroides, anestésicos, fármacos liposolubles, sustancias apolares (O2, N2), polares pequeñas (H2O, C2H5OH, glicerina). Este tipo de transporte se puede realizar a través de mecanismos fisicoquímicos como la ósmosis, la diálisis y a través de canales o conductos que puede regirse por: Permeabilidad selectiva de los diferentes conductos proteínicos y por mecanismo de compuerta de los conductos proteínicos. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  27 GUIA BIOLOGÍA Fig. 4. Difusión Osmosis: Este tipo de difusión se caracteriza por el movimiento del solvente, en la mayoría de los casos el agua, del área de mayor hacia la menor concentración a través de una membrana semipermeable. La fuerza del movimiento de osmosis se mide usando la presión osmótica. De acuerdo con la concentración del medio que baña la célula, éste puede ser: hipertónico, hipotónico e isotónico. Las soluciones hipertónicas son aquellas, que con referencias al interior de la de solutos (y por lo tanto menor potencial de agua). Las hipotónicas son aquellas, que en cambio contienen menor cantidad de solutos (o, en otras palabras, mayor potencial de agua). Las soluciones isotónicas tienen concentraciones equivalentes de sustancia y, en este caso, al existir igual cantidad de movimiento de agua hacia y desde el exterior, el flujo neto es nulo. En medios hipertónicos, la célula perderá agua, denominándose a éste fenómeno plasmólisis o deshidratación, en medios hipotónicos la célula ganará agua denominándose a este proceso turgencia (presión de turgor) Diálisis: Este tipo de difusión se caracteriza por el movimiento del soluto del área de mayor hacía la menor concentración a través de una membrana semipermeable. Difusión facilitada: También se llama difusión mediada por portador porque la sustancia transportada de esta manera no suele poder atravesar la membrana sin una proteína portadora específica que le ayude. Se diferencia de la difusión simple a través de conductos en que mientras que la magnitud de difusión simple se incrementa de manera proporcional con la concentración de la sustancia que se difunde, en la difusión facilitada la magnitud de difusión se aproxima a un máximo (rmax), al aumentar la concentración de la sustancia. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  28 GUIA BIOLOGÍA TRANSPORTE ACTIVO Consiste en el transporte de sustancias en contra de un gradiente de concentración, lo que requiere un gasto energético. Transporte activo primario, la Bomba de sodio y potasio: Se encuentra en todas las células del organismo, encargada de transportar iones sodio hacia el exterior de las células y al mismo tiempo bombea iones potasio desde el exterior hacia el interior, lo que produce una diferencia de concentración de sodio y potasio a través de la membrana celular que genera un potencial eléctrico negativo dentro de las células, muy importante en el impulso nervioso. Transporte activo secundario o cotransporte: Es el transporte de sustancias muy concentradas en el interior celular como los amino ácidos y la glucosa, cuya energía requerida para el transporte deriva del gradiente de concentración de los iones sodio de la membrana celular. Fig. 5 Formas de transporte a través de la membrana. Tomado de edu. jccm.es/ies/…/transporte_membrana.html Bomba de calcio: Está constituida por una proteína de la membrana celular de todas las células eucariotas. Transporta calcio iónico (Ca 2+) hacia el exterior de la célula, gracias a la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP, con la finalidad de mantener la baja concentración de Ca 2+ en el citoplasma que es unas diez mil veces menor que en el medio externo, permitiendo el normal funcionamiento celular. Se sabe que las variaciones en la concentración intracelular del Ca 2+ se producen como respuesta a diversos estímulos y están involucradas en procesos como la contracción muscular, la expresión genética, la diferenciación celular, la secreción, Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  29 GUIA BIOLOGÍA y varias funciones de las neuronas. Dada la variedad de procesos metabólicos regulados por el Ca2+, un aumento de la concentración de Ca 2+ en el citoplasma puede provocar un funcionamiento anormal de los mismos. Si el aumento de la concentración de Ca2+ en la fase acuosa del citoplasma se aproxima a un décimo de la del medio externo, el trastorno metabólico producido conduce a la muerte celular. Transporte citoquímico o de macromoléculas o partículas: Se refiere al transporte de grandes moléculas o partículas y se puede dar por dos modalidades básicas: Exocitosis y endocitosis. Exocitosis: Movimiento de materiales hacia el exterior de una célula envolviendo el material en una bolsa membranosa que se desplaza hacia la superficie de la célula, se funde con la membrana plasmática y se abre hacia el exterior, permitiendo que su contenido se difunda inmediatamente. Endocitosis: Es la ingestión de macromoléculas con la formación en el interior de la célula de vesículas procedentes de la membrana plasmática. La endocitosis incluye la fagocitosis (entrada de partículas) y la pinocitosis (entrada de líquido). Por medio de la fagocitosis algunas células rodean con su membrana plasmática transformada en los llamados pseudópodos las partículas extracelulares o macromoléculas y la introducen al interior de la célula en forma de una vesícula la cual se fusiona posteriormente con los lisosomas que degradan la sustancia fagocitada. La fusión de la vesícula con el lisosoma recibe el nombre de fagosoma. La pinocitosis permite a determinadas células y organismos unicelulares obtener líquidos orgánicos del exterior para alimentarse o para otro fin. Se puede observar en células especializadas en la función nutritiva, por ejemplo las de la mucosa intestinal. De ésta manera pasan de la luz del intestino al torrente sanguíneo las grasas que son insolubles. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  30 GUIA BIOLOGÍA Fig. 6 Transporte citoquímico Endocitosis mediado por receptor: Es un tipo de endocitosis muy específico, ya que las sustancias o ligandos introducidas se unen a los receptores, la membrana celular que contiene estos receptores se invagina y forma una vesícula con la unión de ligando receptor. Así se introducen en el interior de las células, las lipoproteínas que se unen a su receptor. Transporte intracelular: El transporte de biomoléculas en el interior de la célula es realizado por las corrientes citoplasmáticas, o por el retículo endoplasmático que contiene canales citoplasmáticos cubiertos de membranas, que comunican al aparato de Golgi con el núcleo y otras estructuras celulares. PARED CELULAR Envoltura gruesa y rígida que rodea a las células vegetales. Da forma, rigidez, e impide su ruptura, evitando que la célula se hinche debido a la alta concentración osmótica de moléculas. Sus componentes glucídicos son secretados por la célula. Está formada por una red de fibras de celulosa y una matriz en la que hay agua, Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  31 GUIA BIOLOGÍA sales minerales, hemicelulosa y pectina. La misma es permeable a la mayoría de las sustancias; situación opuesta a nivel de la membrana celular. Organelos citoplasmáticos: estructura y función Núcleo: Es un cuerpo redondo u ovalado, situado cerca o en el centro de la célula. Presenta una doble membrana la cual se fusiona en ciertas zonas y forma poros que sirven de salida a sustancias del núcleo. Se piensa que estos poros se conectan con el retículo en doplasmico. Presenta además cromosomas ligados a proteínas básicas (histonas), los cuales se hacen visibles durante la mitosis. Además, presenta nucleolos, encargados de producir ribosomas; usualmente existen 1 ó 2 en cada célula. El núcleo es, pues, el centro regulador de todas las actividades celulares; desempeña un papel fundamental durante la división celular. El núcleo es el centro principal de fabricación de los ácidos ribonucleicos y desoxirribonucleicos. El núcleo es el centro regulador de todas las actividades celulares. Centríolos: Son constituyentes regulares de la célula animal; los cuales sirven como centro de síntesis de las fibras del huso mitótico. Cada centríolo presenta dos cilindros de 0.15 μm, de diámetro por 0.3 a 0.5 μm de largo. Cada cilindro presenta 9 grupos de 3 elementos fibrilares (9+0). Cilios y flagelos: Son estructuras delgadas que salen de la superficie de muchas células. Externamente están cubiertas de una membrana e internamente presentan un anillo de nueve grupos dobles de microtúbulos que rodean a un par central (9+2). Los cilios son más cortos que los flagelos y sólo se presentan en las células animales. Complejo de Golgi: Está formado por una serie de membranas paralelas y continuas que forman unas vesículas aplanadas que continúan al retículo endoplasmático. Su principal función es almacenar, modificar y empacar proteínas. Se presenta en casi todas las células, excepto en los glóbulos rojos. En células vegetales se piensa que contribuyen a la formación de la pared celular. Retículo endoplasmático: Es una serie de conductos membranosos que atraviesan el citoplasma de la mayoría de las células eucariotas. Forma una red Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  32 GUIA BIOLOGÍA continua que se prolonga desde la membrana celular hasta la membrana nuclear. En muchas secciones de la célula se asocia con unos pequeños gránulos denominados ribosomas, que le dan un aspecto rugoso al retículo. Esta región se asocia a la actividad de síntesis de proteínas; mientras que el retículo liso interviene en la síntesis y almacenamiento de lípidos. Ribosomas: Son cuerpos esféricos de 0.25μm de diámetro; los cuales están formados por dos subunidades, constituidas de 65% rRNA y 35% proteínas. Representan el sitio de síntesis de proteínas al agruparse muchos de ellos (poliribisomas). Vacuolas: Son estructuras muy voluminosas en células vegetales y protistas; si están en células animales son muy pequeñas. Su contenido lo forman agua, azúcares y sales; ocupando en células vegetales casi todo el citoplasma. Su función es el intercambio de material entre el medio y la célula. Lisosomas: Son vesículas membranosas que almacenan enzimas hidrolíticas que provocan la lisis celular. Peroxisomas: Similares a los lisosomas, pero éstos tienen funciones oxidativas; intervinienen en la desaminación oxidativa de aminoácidos. Microfilamentos: Son finos hilos citoplasmáticos formados por proteínas como actina y miosina. Éstos intervienen en la estructura y movimiento celular, y forman parte del citoesqueleto. Microtúbulos: Son proteínas de 20-30 nm de diámetro y varios micrómetros de longitud, no se ramifican y son elásticos. Están constituidos por tubulina (proteína); y participan en movimientos celulares, como el de los cromosomas durante la división celular (mitosis). Plastidios: Estructuras membranosas que se encuentran en las células vegetales, los cuales contienen pigmentos o almacenan almidón. Cloroplastos: Son plastidios con clorofila que solo se encuentran en células vegetales. Poseen su propio ADN y tienen doble membrana; se ubican dentro de la Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  33 GUIA BIOLOGÍA membrana interna en grupo de discos llamados grana, el cual presenta el pigmento verde. La grana se ubica en un estroma vacuolado. La clorofila absorbe energía lumínica la cual es transformada en energía química para producir carbohidratos en un proceso denominado fotosíntesis. Fig. 7 Estructura de un cloroplasto Mitocondria: Estructuras ovoides de 0.5μm de diámetro y 1.5 a 2.0 μm de largo. Se encuentran en todas las células eucariotas en cantidades variables. Presentan dos membranas en forma de bolsa; la interna es plegada. Los pliegues forman las crestas mitocondriales, las cuales presentan complejos enzimáticos relacionados con el transporte de electrones. Entre las dos membranas se encuentra un espacio llamado matriz mitocondrial, la cual tiene complejos enzimáticos relacionados al ciclo de Krebs. Posee ribosomas y ADN, lo que le facilita la producción de sus propias proteínas. Su principal función es permitir el metabolismo oxidativo de los carbohidratos y obtener energía en forma de ATP; así como la regulación del metabolismo del calcio dentro de la célula. Las mitocondrias son las centrales energéticas de la célula. Estas pequeñas organelas liberan la energía que la célula necesita para fabricar compuestos transportar materiales y reproducirse. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  34 GUIA BIOLOGÍA RESUMEN La célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos.  Todas las células provienen de otras células mediante la reproducción celular. Las células eucariotas poseen un núcleo y organelas separados del citoplasma por membranas. Las células procariotas no tienen esta estructura, pero aun así, llevan a cabo todas los procesos vitales.  La mayoría de las células son microscópicas, su forma varía según su función.  El citoplasma es el material que se ubica entre la membrana y el núcleo; es allí, donde se ubican las organelas celulares como vacuolas, mitocondrias, centriolos, etc.  Las vacuolas en las células vegetales, son de mayor tamaño que en las células animales. La pared celular está presente en plantas, algas, bacterias y hongos. El núcleo es el centro principal de fabricación de los ácidos ribonucleicos  y desoxirribonucleicos. Es un centro elaborador de información y el director general de todo el funcionamiento de la célula.  La membrana controla de manera selectiva la entrada y salida de materiales a la célula.  El transporte de sustancias a través de la membrana de acuerdo a la energía involucrada en su movimiento es de dos tipos: pasivo y activo.  Las macromoléculas o partículas grandes se introducen o expulsan de la célula por dos mecanismos: exocitosis y endocitosis. ACTIVIDAD Después de haber leído sobre la estructura y función de los organelas celulares, creemos que estás en condiciones de realizar la siguiente evaluación. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  35 GUIA BIOLOGÍA EVALUACIÓN FORMATIVA Explica la teoría celular. Compara la célula procariota con la eucariota. Nombra y describe las funciones de los organelos celulares. Elabora un cuadro sinóptico con la información presentada en esta unidad de aprendizaje. Investiga las diferencias entre una célula animal y una vegetal. Investiga cómo se realiza el transporte de sustancias a través de la membrana celular. Prepara un informe escrito y con dibujos en las cuales se señala con sus nombres, la estructura de cinco clases de células animales o vegetales especializadas. Trata de explicar a qué corresponden las semejanzas presentadas al inicio de la unidad. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  36 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 5. LOS PROCESOS METABÓLICOS Los procesos metabólicos Para que una célula pueda llevar a cabo sus funciones vitales (crecer, moverse, reproducirse, etc.), es necesario que dentro de ella se lleven una serie de reacciones químicas que en conjunto reciben el nombre de metabolismo. En forma resumida el metabolismo comprende todas las reacciones químicas y físicas que efectúan las células. Para efectos de estudios el metabolismo se divide en dos partes: a) Anabolismo: fase constructiva, elaboración o síntesis de moléculas grandes a partir de otras más simples, que requieren aporte de energía. Ejemplo, el proceso de fotosíntesis. b) Catabolismo: Fase degradativa, en donde moléculas complejas son transformadas en otras más simples, a menudo con liberación de energía para el trabajo biológico. Por ejemplo, durante la respiración celular moléculas grandes (carbohidratos) son degradadas hasta formar moléculas pequeñas (CO2 y H2O), con liberación de energía. Las reacciones metabólicas son producidas por agentes llamados enzimas que son sustancias conocidas como catalizadores producidas por las células vivas que regulan la rapidez y la especificidad de miles de reacciones químicas intracelulares, sin modificar el punto final de la reacción y sin consumirse durante la misma, sino que pueden emplearse una y otra vez. El papel de un catalizador como una enzima es reducir la energía de activación de una reacción. Si la Energía que se debe suministrar a los reactantes es muy alta, la reacción transcurrirá más lentamente; por eso los catalizadores, al disminuir la energía de activación de las reacciones, modifican la rapidez de la reacción. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  37 GUIA BIOLOGÍA Fig. 8. Energía de activación En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S), es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible se expresa de la siguiente manera: 𝐸 + 𝑆 ⇌ ⌈𝐸𝑆⌉ ⇌ 𝐸 + 𝑃 La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción. En su acción como catalizador biológico, la enzima se une a las moléculas de sustrato, formando un complejo transitorio llamado enzima - sustrato. El nombre de las enzimas suele ser el de la sustancia sobre la cual actúan + el sufijo asa. Por ejemplo, la sacarasa es desdoblada por la enzima sarasa, las lipasas desintegran los triacilgliceroles, etc. Sin embargo, algunas conservan nombres tradicionales sin la terminación - asa - por ejemplo, pepsina. La sustancia sobre la cual actúa la enzima se llama substrato. Las enzimas son específicas, o sea que no todas actúan sobre los mismos substratos. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  38 GUIA BIOLOGÍA Algunas enzimas, por ejemplo, la pepsina están formadas únicamente por proteínas, otras tienen dos partes, una de las cuales es una proteína (se llama apoenzima) y la segunda (la coenzima) es una molécula orgánica menor, generalmente a base de fosfato. Las coenzimas pueden separarse de las enzimas, pero tanto la coenzima como apoenzima por separado, carecen de actividad catalítica. Factores que afectan la actividad enzimática: Las enzimas funcionan dentro de ciertos parámetros de temperatura y pH; esto se debe a que fácilmente puede ser alterada su constitución tridimensional y con ello, el sitio de unión al sustrato, pierde así su funcionamiento. Para todas las enzimas existe un óptimo de temperatura en el cual éstas desarrollan su máxima acción. Por debajo de esta temperatura óptima, la enzima es relativamente más estable y, por lo tanto, puede actuar por más tiempo, aunque la reacción que cataliza procede más lentamente. Por encima de la temperatura óptima, la velocidad del proceso aumenta, pero el catalizador puede ser inactivado rápidamente. Para cada enzima existe un pH óptimo, en el cual ésta ejerce su máxima acción y donde la curva de actividad / pH asume generalmente, la forma de campana. La mayor parte de las enzimas intracelulares tienen pH óptimo cerca de la neutralidad; es decir, a pH=7.0 por lo que no actúan en medios ácidos ni alcalinos; los ácidos y bases las inactivan irreversiblemente. “Algunas enzimas resultan muy sensibles a ciertos venenos (cianuro, fluoruro, etc)” (Villé 1996). Otro factor que interviene en la actividad enzimática es la concentración del sustrato; el cual está en relación directa con el funcionamiento y se incrementa hasta un punto de saturación en donde la velocidad se denomina máxima. Modo de acción: Hace muchos años, el químico alemán Emil Fisher sugirió que la relación entre enzima y substrato indicaba que estas dos sustancias deberían encajar una en la otra, tal como la llave en su cerradura. Esta fue la primera teoría propuesta para explicar el enlace de sustrato al sitio activo rígido de una enzima, esta teoría gozó de gran aceptación durante mucho tiempo. Hace aproximadamente Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  39 GUIA BIOLOGÍA 50 años Leonor Michaelis, mediante un razonamiento inductivo propuso la hipótesis de que la enzima se combina con su substrato para formar un complejo enzima - substrato intermedio, que luego se descompondrá para liberar la enzima y los productos de la reacción. Luego calculó de qué manera debía ser afectada la velocidad de la reacción por los cambios de concentración de enzima y substrato, lo que permitió comprender experimentalmente con toda exactitud, la relación prevista. “...según el modelo de ajuste inducido de la enzima, que es el más aceptado en la actualidad, el sustrato no ajusta perfectamente en el sitio activo” (Villé 1998). En contraposición a la teoría de la llave y la cerradura, esta teoría se refiere a un sitio activo que no es rígido, sino flexible. La unión del sustrato también cambia un poco, de modo que sus enlaces químicos pueden distorsionarse. Una teoría reciente señala que la enzima se une al substrato en dos puntos o más y que dicho substrato se mantiene así en una posición que ejerce esfuerzo sostenido sobre sus enlaces moleculares, con lo que aumenta las probabilidades de que se rompan. Respiración celular como ejemplo de catabolismo: El mantenimiento de la vida requiere un continuo gasto de energía. La mayor parte de la energía es almacenada en los enlaces químicos de las moléculas orgánicas. Para su utilización todas las células vivientes de los diversos organismos han desarrollado mecanismos que les permiten oxidar estos compuestos o sus derivados, rompiendo los enlaces, para dejar libre dicha energía. Esta oxidación biológica de los compuestos orgánicos se denomina respiración. La energía química liberada en este proceso es almacenada en forma de ATP (Adenosin Trofosfato). Además de la energía química, en la respiración también se libera energía calórica, la cual pasa al medio ambiente o mantiene la temperatura corporal. “Todo el proceso de oxidación del alimento en el interior de la mitocondria es lo que realmente constituye la respiración celular.” Los procesos de respiración celular pueden ocurrir tanto en presencia de oxígeno como en su ausencia. En el primer caso, la respiración celular recibe el nombre de respiración aeróbica; y en el segundo, respiración anaeróbica. A los organismos que Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  40 GUIA BIOLOGÍA tienen respiración aeróbica se les llama aerobios. Ejemplo bacterias y hongos. Ocasionalmente, vegetales superiores (raíces en suelos anegados con pocos O 2, frutos con cubierta impermeable, etc) y animales (a nivel muscular) pueden respirar en anaerobiosis por tiempos variables. Cuando una molécula de azúcar se descompone durante la respiración aeróbica, produce CO 2, agua y energía, lo que se puede representar así: Azúcar + O2 → CO2 + H2O + Energía En cambio, en la respiración anaeróbica los productos del desdoblamiento pueden ser: ácido láctico, o alcohol etílico, dependiendo del tipo de célula donde ello ocurra. Estos productos cuando se encuentran en altas concentraciones, son tóxicos aun para las células que los producen. En las células musculares, al faltar oxígeno, como los productos de la respiración (el ácido láctico) formado se acumula en el músculo, lo que produce calambres. En la respiración anaeróbica los sustratos son sólo parcialmente oxidados, con bajos rendimientos de energía como consecuencia. No se llega a producir CO2 y H2O como productos finales; sus productos (alcohol etílico o ácido lácticos) aún poseen energía que puede ser aprovechada. Aunque los dos procesos (aeróbicos y anaeróbicos) son distintos, en ambos ocurren procesos de oxidación y reducción. La glucosa, puede ser partida en dos moléculas de ácido pirúvico más hidrógeno que se une a un NAD y ATP. Un proceso inicial de la respiración celular conocido como glicólisis o vía de Embden - Meyerhof. Esta etapa es común a los procesos de respiración aeróbicas y fermentación y ocurre en el citoplasma. Glucólisis y fermentación se refieren básicamente al mismo proceso, aunque sus productos finales son distintos. El primer término es aplicable a células animales y el segundo a bacterias y levaduras. La glucólisis se caracteriza por cuatro fenómenos principales: Fosforilación preliminar, la cual consume dos moléculas de ATP. Ruptura de las moléculas de carbohidrato en dos triosas. Oxidación y formación de un enlace fosfatídico de alta energía. Se producen NADH y ATP. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  41 GUIA BIOLOGÍA Reordenamiento molecular para la formación de un enlace fosfatídico de alta energía, generando ATP. Por cada molécula de glucosa, en la glucólisis se producen cuatro moléculas de ATP. Dado que en el proceso se invirtió 2 ATP, su ganancia energética neta es de dos ATP que utiliza la célula como fuente de energía. Ciclo de Krebs: La respiración celular aeróbica se resume en el ciclo de Krebs. Este ciclo tiene por objeto, aprovechar toda la energía contenida en el ácido pirúvico proveniente de los carbohidratos. Ocurre en la matriz mitocondrial y comprende lo siguiente: 1. Formación de una molécula de seis carbonos. La acetil CoA se combina con una molécula de cuatro carbonos (ácido oxalocético) para formar ácido cítrico, el cual inicia el ciclo. 2. Oxidación de las moléculas de seis carbonos. El ácido cítrico se oxida, con desprendimiento de CO2 para formar una sustancia de cinco carbonos, el ácido-cetoglutárico. 3. Oxidación de la molécula de cinco carbonos, perdiendo CO2, para formar un compuesto de carbono (ácido succínico). 4. Reordenamiento molecular y oxidación. El ácido oxaloacético se regenera y el ciclo de Krebs vuelve a empezar con la formación de una molécula de acetil CoA, a partir del ácido pirúvico. Por cada molécula de ácido pirúvico que ingresa al ciclo se regeneran tres moléculas de CO 2. Las coenzimas reducidas que se generan dentro del ciclo junto con el ATP que se sintetiza a partir del ATP (trifosfato de adenosina), formado durante la transformación de la succinil-CoA, darán como resultado la producción neta de 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que pase por la glucólisis y después ingrese al ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. Vías aeróbicas: Son cadenas transportadoras de electrones y fosforilación oxidativa en donde la CTE está integrada por una serie de pigmentos respiratorios ubicados en las mitocondrias (los citocromos). El proceso conocido como fosforilación oxidativa, los electrones provenientes de la degradación de la glucosa Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  42 GUIA BIOLOGÍA y llevados por el aceptor NAD como NADH 2, se van pasando de un aceptor a otro, hasta que son tomados por el aceptor final, el oxígeno. El paso de electrones a través de la CTE, tiene como consecuencia la liberación de energía en forma de ATP. La importancia del sistema queda clara si pensamos que por cada molécula de NADH2 que se produce en la glucólisis y en el ciclo de Krebs se forman tres moléculas de ATP utilizadas luego en otros procesos metabólicos. Tarea Consulte un libro de Biología e investigue sobre las etapas de degradación de la respiración. Fotosíntesis como ejemplo de anabolismo. Es el proceso mediante el cual la energía lumínica que emana del sol es captada por las plantas y otros organismos; siendo convertida en energía química. Este proceso incorpora CO 2 y H2O para formar compuestos orgánicos que son utilizados en todos los procesos energéticos de los seres vivientes. Este proceso sostiene la cadena trófica, y en última instancia es el sostén de toda la vida terrestre, ya que proporciona energía y oxígeno molecular. Es importante señalar que el proceso es realizado en su mayor parte por el fitoplancton, además de plantas superiores. El proceso de fotosíntesis puede resumirse así: 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O Requisitos para el proceso: Luz o energía solar: Las radiaciones de la luz más importantes para las plantas y animales se encuentran entre 750 - 450 nanómetros, o sea, lo que conocemos el espectro de luz visible. Parte de esta luz es absorbida, otra es reflejada y el resto es transmitida. En el caso de las plantas, se refleja la luz verde y se absorbe en su mayoría la luz roja y azul. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  43 GUIA BIOLOGÍA Pigmentos fotosintéticos: o Clorofila: Son pigmentos que reflejan fuertemente la luz verde y absorben la luz roja y azul del espectro visible. Las más abundantes e importantes son la clorofila a y b. o Carotenoides: Se asocian a la clorofila de las plantas y la protegen de la descomposición. Además, intervienen en la transferencia de energía lumínica a la clorofila. o Otras: xantofilas, ficobilinas y ficocianinas (en algas verdes - azules y rojas). El proceso fotosintético consta de una serie de complejas vías metabólicas, algunas reacciones dependen de la luz (fase lumínica) y los átomos de hidrógeno del agua para construir dos tipos de moléculas transportadoras: ATP y NADPH. El gas oxígeno del agua se libera en el proceso. El ATP y NADPH entonces llevan energía química y átomos de hidrógeno a las reacciones independientes de la luz(fase oscura), donde ATP, NADPH y CO2 son usados para construir azúcar.” Fase lumínica: La formación de ATP se conoce como fotofosforilación dado que necesita la absorción de luz, y puede ser de dos tipos: Fotofosforilación cíclica: Cuando una cantidad lumínica (quantum) es absorbida por una molécula de clorofila; un electrón de dicha molécula se eleva a un nivel superior de energía y es recibida por un aceptor de electrones, pasa luego a los citocromos para volver al nivel inicial energético. La energía que pierde el electrón al ser devuelto desde el aceptor original hasta la clorofila es utilizada para formar dos o más moléculas de ATP. Esto puede resumirse como: ADP + Pi + H2O + Luz clorofila → ATP + H + O2. Durante esta reacción ocurre la ruptura de moléculas de agua para formar iones hidroxilo, protones oxígeno y electrones que son transferidos a la clorofila. Este proceso es conocido también como reacción de Hill. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  44 GUIA BIOLOGÍA Fotofosforilación acíclica: durante este proceso se produce NADPH y ATP, los cuales serían utilizados en la fijación y reducción del CO2 durante las reacciones de ausencia de luz. Fase oscura (ciclo de Calvin-Benson): Para esta reacción no se necesita oscuridad; su nombre se debe exclusivamente al hecho de que es independiente de la luz. Fijación de CO2: El dióxido de carbono atmosférico es incorporado a una secuencia cíclica de reacciones denominadas ciclo de Calvin - Benson; el cual se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto. Un azúcar de cinco carbonos se une al CO 2 al inicio del ciclo; formando una hexosa, que posteriormente es dividida en dos triosas. La energía presente en el ATP, es transferida a esas moléculas y se produce ADP + Pi. Además, se transfieren H+ a las triosas a través del NADPH 2 provenientes de la fotólisis; produciéndose el PGAL (fosfogliceraldehído) utilizado para renovar el azúcar de 5 carbonos y los carbohidratos restantes. Para que se forme una molécula de glucosa, se deben fijar 6 moléculas de CO2 y por cada molécula de CO2 fijada, se necesitan 2 moléculas de NADPH y tres de ATP. Factores que afectan la fotosíntesis: Luz: Existe una reacción directa entre la intensidad de la luz y la tasa de fotosíntesis. La exposición a periodos largos de luz hace que se incremente al nivel de fotosíntesis; aunque esto no ocurre así, ya que al aumentar la intensidad de la luz, la intensidad de fotosíntesis disminuye debido a la interacción de otros factores. Temperatura: La fotosíntesis se encuentra limitada dentro de los extremos tolerados por los componentes proteínicos; entre 0-60°C. Si ocurre un aumento de temperatura, el nivel de fotosíntesis se incrementa; aunque a temperaturas muy bajas o muy altas, ésta se inhibe. CO2: Bajas concentraciones de dióxido de carbono desfavorecen la fotosíntesis, llegando a ser crítica en algunas plantas. La concentración normal de CO 2 en la atmósfera es 320 ppm; si ésta aumenta, por ejemplo a 1000 ppm, se hace tóxico para las plantas y provoca el cierre de los estomas, en otras plantas esto puede ser ventajoso. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  45 GUIA BIOLOGÍA O2: Algunas de las concentraciones normales de este gas pueden inhibir el proceso de fotosíntesis en las plantas. Agua:La falta de agua o transpiración excesiva provoca que las estomas se cierren, lo que produce un descenso en el nivel de fotosíntesis. RESUMEN  El metabolismo comprende todas las reacciones químicas y físicas que efectúan las células.  El anabolismo es la fase constructiva de elaboración o síntesis de moléculas grandes a partir de otras más simples.  El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo en donde moléculas complejas son transformadas en otras más simples, a menudo con liberación de energía.  Las reacciones metabólicas son reguladas por las enzimas.  Las enzimas son proteínas catalizadoras producidas por las células vivas.  Las enzimas regulan la rapidez y especificidad de miles de reacciones químicas intracelulares.  La actividad enzimática puede ser afectada por la temperatura, pH, concentración de sustrato y venenos enzimáticos.  La acción de las enzimas se explica por medio de dos teorías: la teoría de la llave y la cerradura y la del modelo de ajuste inducido.  La respiración celular es un proceso de oxidación biológica de los compuestos orgánicos con liberación de energía.  Los procesos de respiración celular pueden ocurrir en presencia de oxígeno (respiración aeróbica) y en ausencia de oxígeno (respiración anaeróbica).  La respiración aeróbica es más eficiente desde el punto de vista de producción de energía, ya que en la respiración anaeróbica los sustratos no sólo parcialmente oxidados y como consecuencia hay bajos rendimientos de energía. En la respiración Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  46 GUIA BIOLOGÍA aeróbica se produce CO2 y H2O como productos finales. En la respiración anaeróbica los productos son alcohol etílico o ácido láctico, según el organismo.  La glucólisis es una etapa común a los procesos de respiración aeróbica y fermentación y ocurre en el citoplasma. En este proceso por cada célula de glucosa se forman dos moléculas de ácido pirúvico.  En la glucólisis se produce cuatro moléculas de ATP de las cuales se utilizan 2, por lo tanto la ganancia neta son 2 moléculas de ATP.  El proceso de respiración celular aeróbica lo constituyen el ciclo de Krebs, y la fosforilación oxidativa.  El ciclo de Krebs, ocurre en la matriz mitocondrial.  Los citocromos actúan en el transporte de electrones por procesos de óxido - reducción.  Por cada molécula de NADH2 que se produce en la glucólisis y el ciclo de Krebs se forman tres moléculas de ATP. La producción neta de energía en los organismos aeróbios es de 36 moléculas de ATP.  La fotosíntesis es un ejemplo de anabolismo.  La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas verdes y otros organismos autótrofos producen moléculas alimenticias complejas, ricas en energía, a partir de moléculas más simples, en presencia de energía lumínica.  La clorofila es el pigmento fotosintético por excelencia.  La fotosíntesis sucede en dos fases: una fase lumínica y una oscura.  En la fase lumínica ocurre una reacción química donde la energía luminosa se transforma en energía química en forma de ATP (Adenosintrifosfato). Simultáneamente se libera oxígeno.  En la fase oscura el hidrógeno libre se combina con el bióxido de carbono para formar glucosa. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  47 GUIA BIOLOGÍA ACTIVIDADES Concluido el estudio y análisis del tema sobre los procesos metabólicos, realiza las siguientes actividades: EVALUACIÓN FORMATIVA a) ¿A qué llamamos metabolismo y qué fases comprende? b) ¿Qué son las enzimas y cómo actúan? c) Explique de qué manera el pH, la temperatura y la concentración de sustrato afectan la actividad enzimática. d) ¿Qué nombre reciben las teorías que explican la acción de las enzimas? e) Elabore un cuadro comparativo entre la respiración aerobia y anaerobia. f) Esquematice el proceso de la glucólisis, ciclo de Krebs, transporte de electrones y fosforilación oxidativa en un mapa conceptual. g) Mencione los requisitos indispensables para que ocurra la fotosíntesis. h) Investigue las longitudes de onda que componen el espectro de luz visible y mencione cuáles de estas longitudes son absorbidas por la planta para el proceso de fotosíntesis. i) Haga una distinción entre reacciones luminosas y las reacciones de oscuridad en la fotosíntesis. Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  48 GUIA BIOLOGÍA UNIDAD 6. PRINCIPIOS DE GENÉTICA Genética La genética es una ciencia relativamente nueva; sin embargo, la historia demuestra que el hombre reconoció la influencia de la herencia desde los tiempos antiguos, pero no fue sino hasta hace poco más de 100 años que el monje austríaco Gregorio Mendel postuló una hipótesis muchas veces confirmada y que explica el mecanismo de la herencia. Todo lo que un individuo es en lo físico, fisiológico y en su comportamiento, es producto de la herencia y el ambiente. En este sentido, cada ser es único debido a que poseé caracteres que ha heredado de sus padres, combinación genética que es única con excepción del caso de los gemelos verdaderos o univitelinos. Leyes de la herencia Los mecanismos de la herencia son estudiados por la genética. Mendel estudió la herencia en los chícharos (una especie de guisantes) y sentó las bases de la genética clásica. Mendel demostró que la herencia se basa en la integración de factores individuales pero separables (es decir segregables). Polinizaba los chícharos con características definidas y esperaba las generaciones subsecuentes para ir interpretando los resultados. La interpretación de lo mismo, dio lugar a que formulara dos leyes que se conocen como Leyes de Mendel que son la Ley de la segregación y la Ley de distribución independiente. Para analizar ambas leyes se debe resolver un problema genético, pero es necesario conocer algunos conceptos básicos.  Alelo: Forma alternante de un gen. Se representa con letras mayúsculas si es una alternativa dominante o con una letra minúscula si es una alternativa recesiva.  Cromosomas: Cuerpos filamentosos en forma de bastón en el núcleo de las células que contienen las unidades hereditarias “Los Genes”. Dominancia: Cuando un factor domina sobre otro. Por ejemplo la altura domina sobre lo Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  49 GUIA BIOLOGÍA enano, asimismo, el factor dominante se expresa en mayúscula y el recesivo en minúscula.  Fenotipo: Se refiere a las características observables de un organismo.  Gen: Unidad biológica de información genética, que se autorreproduce y localiza en una porción definida en un cromosoma determinado.  Generación: Se refiere a la descendencia de los organismos. Por ejemplo, si Filial(F): dos progenitores se cruzan entre sí, la primera generación (F 1) serán sus hijos; la F2 serán sus nietos y así sucesivamente. Por consiguiente la F2 de un organismo se obtiene cruzando F1 x F1.  Genotipo: Es el conjunto de características genéticas estudiadas en un organismo. Se expresa por pares alélicos.  Heterocigoto: Se refiere a los organismos que presentan alelos diferentes. (Portador, Híbrido)  Homocigoto: Se refiere a los organismos que presentan alelos idénticos, para (puro) una característica.  Mutación: Cambio heredado y estable en un gen.  Recesivo: Es el factor que siempre permanece enmascarado por el dominante. PRIMERA LEY DE MENDEL O LEY DE SEGREGACIÓN Esta ley dice que un par de genes controlan una característica en particular y que éstos deben separarse durante la formación de gametos, para después reunirse al azar durante la fecundación. Ejemplo Una planta con semillas lisas se cruza con una planta con semillas rugosas. Si la característica de semilla lisas es dominante y ambas plantas son puras. Determine la F1 y F2. ¿Cuál es el genotipo de los progenitores (P) para la F1 y F2?. Solución Consideremos la siguiente simbología:  Alelos: A = semillas lisas., a = semillas rugosas  Genotipo de progenitores (P1): Semillas lisas, Semillas rugosas Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof. Manuel Dixon.  50 GUIA BIOLOGÍA Al cruzar los progenitores (P1), tenemos: AA x aa. Recuerde que ambas plantas son puras, por lo tanto, el genotipo en ambos casos es homocigoto. Cada genotipo consta de dos alelos heredados (uno proveniente del gameto masculino y otro del gameto femenino). G1 (Gametos): (A)(A) x (a)(a) F1 A A a Aa Aa a Aa Aa Resultados Fenotipo: 100% semillas lisas Genotipo: 100% Aa F2 = F1 x F1 Veamos el cálculo de la F2 P2 : Aa x Aa G2 : (A)(a) x (A)(a) F2 A a A AA Aa a Aa aa Fenotipo: 3 semillas lisas; 1 semillas rugosas. 4 4 Genotipo: 1 AA; 1 Aa; 1 aa. 4 2 4 SEGUNDA LEY DE MENDEL La segunda Ley de Mendel o Ley de la distribución independiente nace del problema de tratar de explicar cómo se hereda más de una característica a la vez. El problema es definir si un carácter influye sobre otro. Hoy día, se sabe que algunas características sí influyen. Esta ley dice que los alelos se segregan Contenido: Prof. María F. de Iglesias (Editado). Revisado: Prof. Alexander Serrano, Editado: Prof