Características Diferenciales de los Seres Vivos

• Complejidad molecular: Las principales sustancias responsables del desarrollo y funcionamiento de un organismo son macromoléculas.
• Niveles de organización: Organización jerárquica en orden de complejidad creciente. Incluye: macromoléculas, células, organismos, poblaciones y comunidades. Las propiedades de cada nivel no son simplemente la suma de las propiedades de sus componentes; a esto se le llama emergencia o propiedades emergentes.
• Automantenimiento: El metabolismo es el conjunto de procesos químicos mediante los que el organismo utiliza la energía y la materia para construir sus propios componentes y realizar sus procesos vitales.
• Reproducción: La materia viva tiene la capacidad de reproducirse, de originar copias de sí misma. Se reproducen sexual o asexualmente. Lleva asociados dos fenómenos aparentemente contradictorios: la herencia, que mantiene las características de una generación a la siguiente, y la variación o aparición de diferencias entre los descendientes.
• Ciclo vital: Diferentes etapas que pasa un individuo desde que nace hasta que es capaz de reproducirse.
• Sensibilidad: Todos los organismos son capaces de detectar y reaccionar ante los cambios que se producen en su entorno; elaboran respuestas ante los estímulos ambientales. Esta posibilidad de respuesta proporciona a los organismos la capacidad de autorregulación.

Bioelementos

Un ser vivo está formado por un restringido conjunto de elementos químicos llamados bioelementos primarios (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre) que constituyen el 98% de su peso. Forman con facilidad enlaces covalentes compartiendo parejas de electrones. Los 4 elementos pueden unirse con otros y así formar una gran variedad de compuestos diferentes. El resto de los elementos, bioelementos secundarios, llamados oligoelementos, a pesar de esta baja proporción, su presencia es indispensable para el buen funcionamiento del organismo.

Biomoléculas (Principios Inmediatos)

• Biomoléculas inorgánicas: Agua, sales minerales y gases respiratorios (O₂, CO₂…).
• Biomoléculas orgánicas: Glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Agua

La molécula de agua está formada por 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno unidos. Debido a la elevada electronegatividad del oxígeno, los electrones compartidos con el hidrógeno se encuentran desplazados hacia el oxígeno. Esto produce un exceso de carga negativa sobre el oxígeno y de carga positiva sobre el hidrógeno. Esta desigual distribución de cargas se conoce como polaridad. Aunque la molécula del agua es neutra, también es polar. La polaridad es la causa de que entre una molécula de agua y las que la rodean surjan fuerzas que las mantienen unidas por enlaces o puentes de hidrógeno.

Importancia biológica del agua:

• Tiene gran poder disolvente.
• Elevada capacidad térmica: el elevado número de enlaces de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua hace que sea necesaria gran cantidad de energía para elevar su temperatura.
• Alcanza su densidad máxima (1g/cm³) en estado líquido a los 4ºC. Por ello, el hielo flota sobre el agua, evitando la congelación de las zonas profundas de mares y lagos y permitiendo el desarrollo de la vida bajo la superficie helada.

Sales Minerales

Sales disueltas: Aniones (*) y cationes (^) con importantes funciones reguladoras, como evitar los cambios bruscos de pH, intervenir en funciones específicas como la contracción muscular o la transmisión del impulso nervioso, y controlar la entrada y salida de agua de las células, contribuyendo a mantener el equilibrio hídrico gracias a los fenómenos osmóticos.

• Difusión: La membrana permeable deja pasar el agua y los solutos. El movimiento neto de las partículas es direccional, se produce de las regiones de mayor a las de menor concentración.
• Ósmosis: Membrana semipermeable, solo deja pasar moléculas de agua. La disolución más diluida (hipotónica) pasa a la más concentrada (hipertónica) hasta igualarse (isotónicas). La membrana plasmática se comporta como una membrana semipermeable:
  • Las células animales pierden agua y se deforman si se encuentran en un medio hipertónico, y pueden llegar a estallar si el medio es hipotónico.
  • Las células vegetales soportan la ósmosis; la presencia de una pared resistente por fuera de la membrana impide que estallen en un medio hipotónico. La entrada de agua las hincha y ejerce una presión sobre la pared: turgencia.

Compuestos Orgánicos

Grupos funcionales:

• Si el carbono está unido a un oxígeno:
  • Si el oxígeno está unido a un hidrógeno (el oxígeno comparte un electrón con el carbono y otro con el hidrógeno (-C-O-H)), el grupo (-OH) es el grupo hidroxilo. Es el grupo funcional característico de los alcoholes y puede estar tanto en un carbono primario como secundario.
  • Si el oxígeno comparte los 2 electrones con el carbono (-C=O): grupo carbonilo, típico de los aldehídos (si está en un carbono primario) y cetonas.
  • Si ambas situaciones se juntan, el grupo funcional (-COOH) es el grupo carboxilo, típico de los ácidos orgánicos.
• Si el carbono está unido a un nitrógeno: Puede unirse a 2 hidrógenos más. El grupo (-NH₂) es el grupo amino, típico de compuestos orgánicos: aminas.

Glúcidos

Polialcoholes, con grupo funcional hidroxilo (-OH). Sólidos, solubles en agua, blancos y cristalinos.

• Monosacáridos: Polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, con 3 o más átomos de carbono.
• Disacáridos: Unidos por enlace glucosídico, se libera una molécula de agua. Disacáridos importantes: maltosa, lactosa y sacarosa.
• Polisacáridos: Carecen de sabor dulce, resultan de la unión de muchas moléculas de monosacáridos. Ejemplos: celulosa, quitina, almidón o glucógeno.

Funciones de los glúcidos:

• Combustible celular: La glucosa es el azúcar más utilizado como fuente de energía por las células.
• Almacén de reserva energética: El almidón es la principal reserva de azúcares en las plantas y constituye un importante alimento para los animales. El glucógeno es la reserva de azúcares en los animales.
• Componente estructural.

Lípidos

Compuestos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Compuestos apolares o de baja polaridad, insolubles en agua, aunque solubles en disolventes orgánicos. Composición variada. Contienen ácidos grasos, que son ácidos con grupo funcional carboxilo unido a una larga cadena hidrocarbonada de 14 a 24 carbonos. Pueden ser saturados (si no presentan dobles enlaces) e insaturados (si tienen 1 o más dobles enlaces).

• Grasas: Los ácidos grasos que forman las grasas son saturados. Los aceites tienen un mayor o menor contenido de ácidos grasos insaturados.
• Ceras: Semejantes a las grasas, pero poseen, en lugar de un trialcohol, un monoalcohol de cadena larga que se une, también mediante un enlace éster, a un ácido graso. Son impermeables.
• Fosfolípidos: Formados por una molécula de alcohol (glicerina), unida a un fosfato y a ácidos grasos. Da lugar a una estructura bipolar en la que uno de los extremos es polar (hidrófilo) y otro apolar (hidrófobo). En un medio acuoso, los fosfolípidos se asocian uniendo sus partes apolares y exponiendo al medio el extremo polar. Forman las bicapas lipídicas que constituyen la base de las membranas celulares.
• Esteroides: Derivados de ciclopentano perhidrofenantreno. Insolubles en agua (excepto los esteroles). Compuestos de gran importancia biológica: colesterol, vitamina D y hormonas.

Funciones de los lípidos:

• Reserva energética: Un gramo de grasa libera el doble de energía que un gramo de azúcar.
• Estructural: Los fosfolípidos, como resultado de su carácter bipolar, constituyen la base estructural de las membranas celulares. También las ceras tienen función estructural.
• Reguladora: Hormonas y vitaminas, reguladoras de determinados procesos vitales.

Proteínas

Polímeros de aminoácidos.

Estructura tridimensional de las proteínas: Cada proteína se caracteriza por tener una estructura tridimensional bien definida de la que depende su función. La forma en que se pliega la cadena polipeptídica está determinada por su secuencia de aminoácidos. Los cambios extremos en el medio donde se encuentra la proteína (aumento de temperatura o cambios en el pH) provocan su desnaturalización: pierde su estructura tridimensional, sus propiedades y su función.

Funciones de las proteínas:

• Estructural: El colágeno forma fibras que dan resistencia y elasticidad a huesos y cartílagos. La queratina es parte importante de las uñas o el pelo.
• Transportadora: La hemoglobina transporta el oxígeno de la sangre. También existen proteínas transportadoras de colesterol.
• Reguladora: La insulina regula el azúcar de la sangre. También la hormona del crecimiento tiene función reguladora.
• Contráctil: La actina y la miosina forman filamentos de cuya interacción se deriva la contracción muscular.
• Defensa inmunitaria: Los anticuerpos son proteínas encargadas de neutralizar a las sustancias extrañas (antígenos) que penetran en el organismo.
• Enzimática o biocatalizadora: Proteínas enzimáticas.

Proteínas Enzimáticas

Proteínas que actúan como catalizadores biológicos aumentando la velocidad a la que transcurren las reacciones metabólicas. Su estructura tridimensional les proporciona un aspecto globular en cuya superficie aparece una zona, el centro activo, de características diferentes para cada enzima.

Modelo de actuación de las enzimas: Actúan uniéndose al sustrato, catalizando su transformación en uno o más productos. Se forma el complejo enzima-sustrato. La enzima crea un entorno alrededor del sustrato que facilita la reacción. Este se transforma para dar el/los producto/s. Después de la transformación del sustrato, la enzima se libera y se recupera intacta, disponible para unirse a otra molécula de sustrato. La manera de nombrar las enzimas es añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato o al tipo de reacción.

Propiedades de las enzimas:

• Específicas: Una enzima solo puede actuar sobre un determinado sustrato y solo cataliza un tipo de reacción.
• Eficientes: Una única molécula de enzima puede catalizar la transformación de muchas moléculas de sustrato por minuto.

Ácidos Nucleicos

Tipos:

• ADN: Contiene siempre desoxirribosa. Sus bases nitrogenadas son la citosina, adenina, guanina y timina.
• ARN: Contiene ribosa. Sus bases nitrogenadas son: citosina, adenina, uracilo y guanina.

Estructura y función del ADN:

• Estructura: Doble hélice:
  • Dos cadenas helicoidales de nucleótidos.
  • Las dos cadenas son antiparalelas (sentido 5′ -> 3′ y sentido 3′ -> 5′).
  • La estructura se mantiene estable gracias a los enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas complementarias: la adenina siempre se empareja con la timina, y la guanina con la citosina.
• Función: El ADN es el portador de la información hereditaria:
  • La información contenida en el ADN está codificada en forma de secuencias de bases.
  • Tiene capacidad para duplicarse; la duplicación del ADN permite que su información se herede.
  • Permite elaborar sus propias proteínas, las enzimas, responsables de su funcionamiento.

Estructura, tipos y función del ARN:

• Estructura: Formadas por una sola cadena de nucleótidos.
• Tipos y función:
  • ARN mensajero (ARNm): Copia la información del ADN y la lleva hasta los ribosomas.
  • ARN ribosómico (ARNr): Forma parte de la estructura de los ribosomas.
  • ARN de transferencia o soluble (ARNt): Formado por pequeñas moléculas encargadas de transportar los aminoácidos a los ribosomas para que se construya la cadena de proteína.

Teoría Celular

Los estudios sobre la célula han estado estrechamente ligados al desarrollo de las técnicas de observación.

Las Primeras Observaciones Microscópicas

En 1665, Robert Hooke (s. XVII), holandés, publicó Micrographia. En ella, se muestra la imagen de una fina lámina de corcho, con una estructura similar a un panal de abejas. Utilizó el término «célula» para designar cada una de las cavidades. Estaba muy lejos de imaginar una relación entre lo que observaba y la estructura íntima de los seres vivos. Anton van Leeuwenhoek (s. XVII), comerciante de paños de Delf (Holanda), construía sus propios microscopios para poder observar la trama de los tejidos. Sus dibujos y descripciones de células asombraron a los científicos de la época. Hubo que esperar un siglo para que quedara formulada una teoría celular.

El Establecimiento de la Teoría Celular

En el siglo XIX, el poder de resolución (posibilidad de ver separados dos puntos o líneas muy próximas) pasó de los 10 μm a los 0,25 μm. Matthias J. Schleiden y Theodor Schwann, a mediados del siglo XIX, establecieron que la célula constituye la unidad morfológica y funcional. El problema del origen y la reproducción de las células aún tardó casi 20 años en ser aclarado. Rudolph Virchow (s. XIX) estableció que toda célula procede de otra célula.

• La célula es la unidad estructural de los seres vivos.
• Es la unidad funcional de los seres vivos: puede llevar a cabo las funciones básicas de un ser vivo.
• Es la unidad reproductora de los seres vivos.

La aplicación universal de la teoría celular a todos los tejidos animales y vegetales aún mantuvo una duda: el tejido nervioso y su aparente aspecto de red continua. Santiago Ramón y Cajal (s. XX) fue el principal defensor de la individualidad de las células nerviosas y, con ello, de la generalización de la teoría celular a todos los tejidos.

El Microscopio Electrónico

Ni siquiera con el microscopio más perfecto se puede lograr una resolución superior a la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. La resolución del microscopio óptico está en torno a 0,25 μm. En la década de 1930 aparecieron los primeros microscopios electrónicos, que utilizan un haz de electrones cuya longitud de onda es mucho menor. Su límite de resolución se sitúa entre 0,5 y 1 nm.

Microscopio electrónico de transmisión (MET):

• Las muestras deben tener un espesor máximo de 0,5 μm, dado el poco poder de penetración de los electrones, por lo que no pueden observarse células completas, sino cortes de célula.
• Los objetos aparecen más oscuros si absorben electrones; si estos pasan de largo, son detectados sobre la plantilla.

Microscopio electrónico de barrido (MEB): Los electrones se reflejan en la muestra antes de ser recogidos.

• Sí pueden verse células enteras y las imágenes reproducen la forma tridimensional de su superficie.

Tipos de Organización Celular

Existe una membrana (con permeabilidad selectiva) que separa un contenido, o citoplasma, del medio que le rodea. Nunca falta el ADN.

• Organización celular eucariótica: eu (verdadero), karyon (núcleo). Presenta compartimentos rodeados por membranas.
• Organización celular procariótica: pro (antes).

La Célula Procariota

• Membrana plasmática: La separa del medio. Forma pliegues hacia el interior, los mesosomas.
• Nucleoide: Contiene el material hereditario, una única molécula de ADN. Aparecen otras pequeñas moléculas circulares de ADN: los plásmidos.
• Citoplasma:
  • Citosol o hialoplasma: Formado por agua que contiene sales disueltas, moléculas orgánicas pequeñas y macromoléculas.
  • Ribosomas: Gránulos formados por ARN y proteínas. Realizan la fabricación o síntesis de proteínas.