Base de la vida y organización celular, Apuntes de Biología

¡Descarga Base de la vida y organización celular y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity! I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 1 Temas 5 y 6 | BASES QUÍMICAS DE LA VIDA y ORGANIZACIÓN CELULAR 1. Niveles de organización de la materia. Características generales de los seres vivos. 2. La unidad química de los seres vivos. 2.1. Los elementos de la vida: bioelementos. 2.2. Las biomoléculas: principios inmediatos inorgánicos y orgánicos. 2.2.1. Agua 2.2.2. Sales minerales 2.2.3. Glúcidos 2.2.4. Lípidos 2.2.5. Proteínas 2.2.6. Ácidos nucleicos 3. Organización celular de los seres vivos. 3.1. La teoría celular. 3.1.1. Desarrollo histórico. 3.1.2. Principios de la teoría celular. 3.2. Microscopía óptica. 3.3. Tipos celulares: célula procariótica y eucariótica animal y vegetal. 3.4. Funciones vitales celulares: nutrición, relación y reproducción celular. 3.5. Organismos unicelulares y pluricelulares. 1. Organización de la materia. Características generales de los seres vivos. La Biología es la ciencia que estudia la vida y los seres vivos. No hay una definición concreta de vida ni de ser vivo. Más bien se definen por sus características distintivas respecto a la materia inanimada (desprovista de vida). Estas características En la actualidad los seres vivos tienen las siguientes características: • Son Complejos En composición y funcionamiento. A todos los niveles o Muchas sustancias químicas diferentes. Varios miles de moléculas diferentes en el organismo más sencillo o Compleja organización interna. Moléculas, orgánulos, relaciones entre ellos. o Muchas relaciones interespecíficas e intraespecíficas: reproducción, competencia… • Son Celulares Formados por unidades llamadas células. Un individuo puede tener desde una a miles de millones de millones de células. Por lo tanto es la unidad estructural de los mismos. También la funcional ya que son ellas las que permiten realizar las funciones vitales. Igualmente son las unidades reproductoras ya que todos los seres vivos proceden de, al menos, una célula. • Tienen funciones de Nutrición Toman materia y energía del entorno para mantener su organización. Se mantienen complejos y ordenados a base de desordenar el entorno. Termodinámica: Entropía. Muy pocos átomos de los que teníamos cuando nacimos forman parte de nuestro cuerpo ahora mismo, sin embargo seguimos siendo nosotros. • Tienen funciones de Relación. Perciben cambios externo e internos y se adaptan a ellos elaborando respuestas. Mantienen un medio interno aproximadamente constante: Homeostasis • Tienen funciones de Reproducción. Crean copias parecidas a ellos mismos. En la actualidad cada ser vivo procede de otro precedente. No hay generación espontánea. Estas copias les sirven para perpetuarse en el tiempo. Todos los seres vivos mueren por edad o por accidente por lo que sin la reproducción desaparecerían. Relacionado con la reproducción están: o Crecimiento: Copias por partición han de crecer. o Desarrollo: Para poder sobrevivir han de cambiar de forma durante su crecimiento. o Herencia: De alguna manera han de tener información sobre cómo tienen que desarrollarse. o Evolución: Las copias no son exactas y las especies cambian y se diversifican. Existen entes no celulares que no consideraremos seres vivos aunque tengan algunas de sus características: los virus, plásmidos, los priones. PREGUNTA: ¿Por qué presentan los seres vivos estas características? Durante un tiempo se pensó que por su diferente composición; la materia orgánica frente a la inorgánica, pero se ha demostrado que la materia orgánica no presenta por sí misma las características de la vida. Actualmente se sabe que son consecuencia de su organización interna I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 2 La materia viva se va organizando progresivamente desde niveles más simples a otros más complejos. Cada uno de estos niveles de organización incluye a los anteriores e implica la aparición de nuevas características. Se distinguen los siguientes: Abióticos o Nivel subatómico § Partículas subatómicas (electrón, neutrón, protón, quarks). o Nivel atómico § Átomos (C, H, O, N, P, S, Fe, Ca). o Nivel molecular. § Moléculas (H2O, NaCl, aminoácidos). § Macromoléculas (proteínas, lípidos). § Orgánulos (mitocondrias, aparato de Golgi). § Complejos supramoleculares (virus, priones, viroides). Bióticos o Nivel celular. La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. § Organismos unicelulares. Bacteria, protozoo. § Forman parte de organismos pluricelulares. o Nivel pluricelular. Estructuras formadas por numerosas células diferenciadas y/o especializadas. Formado a su vez por otros niveles. § Tejidos (tejido óseo, tejido parenquimático). § Órganos (estómago, corazón). § Aparatos/Sistemas (aparato digestivo o sistema nervioso). Un sistema se extiende por todo el organismo y está formado por un tejido predominante. o Nivel de organismo. Individuos formados por células que forman tejidos, que a su vez forman órganos, todos integrados en aparatos y sistemas que funcionan como un todo. o Nivel de población. Los seres vivos interaccionan entre sí y con el medio. § Población. Grupo de individuos de la misma especie. § Ecosistema. Las poblaciones se relacionan entre sí y con su entorno. Un ecosistema se forma por la unión entre una biocenosis o comunidad y el biotopo o medio físico en el que se asienta. § Bioma. Conjunto de ecosistemas similares que comparten clima, fauna y flora. § Biosfera. Es la totalidad de organismos que pueblan el planeta y el máximo ecosistema existente. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 5 El agua es el principal compuesto de los seres vivos pues representa entre el 60 y 90% de la materia viva. Su abundancia depende de la especie, la edad (menor proporción en individuos más viejos) y la actividad fisiológica del tejido (mayor porcentaje los que tiene mayor actividad como tejido nervioso o muscular). Aparece en el interior de las células, en el líquido tisular y en los líquidos circulantes. Comprender la estructura de la molécula de agua es muy importante. Se trata de una molécula dipolar: los electrones que comparten el O y el H están desplazados hacia el O por su mayor electronegatividad por lo que esa zona de la molécula tiene una ligera carga negativa y la de los H es ligeramente positiva. Cuando dos moléculas de agua se aproximan, la zona positiva de una molécula y la negativa de otra se atraen. Estas interacciones intermoleculares se conocen como puentes de hidrógeno y son las responsables de que el agua sea líquida a temperatura ambiente, algo que no sucede en otras sustancias de peso molecular semejante. Propiedades Funciones biológicas Poder disolvente Debido a su polaridad el agua es buen disolvente de los compuesto iónicos y polares Los líquidos orgánicos (citoplasma, líquido tisular, plasma, linfa, savia, ...) son disoluciones acuosas que sirven para el transporte de sustancias y como medio en el que se producen las reacciones metabólicas. Reactividad química Debido a que el agua se puede disociar en forma iónica. El agua no sólo es el medio en el que transcurren las reacciones del metabolismo sino que interviene en muchas de ellas como en la fotosíntesis, en las hidrólisis y en las condensaciones. El calor específico (calor necesario para elevar 1ºC la temperatura de 1 g) es relativamente elevado. El agua es capaz de absorber grandes cantidades de energía sin aumentar apenas su temperatura. Gracias a estas dos propiedades el agua interviene en la termorregulación. El alto calor específico le permite ser un amortiguador térmico. Los seres vivos utilizan el alto calor de vaporización para evitar sobrecalentarse, pierden agua por evaporación y con ella el calor. Elevado calor de vaporización. Cuando el agua se evapora es porque ha absorbido una enorme cantidad de energía. Máxima densidad a 4°C. Como consecuencia el hielo flota sobre el agua líquida, lo que impide que los océanos y otras masas menores de agua se congelen de abajo a arriba. En el agua son elevadas las fuerzas de cohesión (atracción entre las moléculas de agua) y de adhesión (atracción entre el agua y una superficie) lo cual origina los fenómenos de capilaridad por los que el agua asciende en contra de la gravedad por conductos de diámetro muy fino (capilares). Estos fenómenos contribuyen al transporte de sustancias en los vegetales. Igual que otros líquidos el agua es incompresible Actúa como amortiguador mecánico (líquido amniótico, líquido sinovial) o como esqueleto hidrostático (líquido celómico en anélidos). 2.2.2 Las sales minerales I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 6 Las sales minerales son moléculas inorgánicas que aparecen en todos los seres vivos en cantidades variables (no superiores al 5%). Aparecen de dos formas: * Insolubles. Se encuentran en estado sólido originando un precipitado que constituye las estructuras esqueléticas (conchas, caparazones, huesos) de muchos seres vivos. Las más importantes son el carbonato cálcico (CaCO3) que forma la concha de los moluscos, el fosfato cálcico (Ca3(PO4)2)que forma los huesos y la sílice (SiO2) que forma el caparazón de las algas diatomeas. * Solubles. Se encuentran en forma iónica disueltas en agua, donde realizan funciones de regulación del pH, algunos fenómenos biológicos como la contracción muscular (en la que participan iones de calcio) o la transmisión del impulso nervioso (iones de sodio y potasio), y en procesos osmóticos. Recuerda que cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico, esto es, con mayor concentración de sales fuera de la célula que en su interior, la célula expulsará agua para tratar de equilibrar las concentraciones salinas a ambos lados de la membrana. Esto es un proceso osmótico. Poco a poco la célula irá perdiendo agua, disminuyendo su volumen y arrugándose, fenómeno conocido como plasmólisis, que puede originar la lisis o rotura celular. Si, por el contrario, la célula se encuentra en un medio hipotónico es decir, con menos sales en el exterior que en el interior, el agua, también por ósmosis, irá entrando al interior de la célula para igualar de nuevo las concentraciones. Consecuentemente aumentará el volumen priduciéndose el fenómeno de la turgencia, que si rompe la membrana produce igualmente la lisis celular. La ósmosis no se produce en el caso de encontrarse la célula en un medio isotónico. 2.2.3. Glúcidos 1. Concepto Son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O, cuya fórmula general es CnH2nOn. de ahí su antiguo nombre de hidratos de carbono. Químicamente se pueden definir como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, ya que tienen en todos sus carbonos un grupo hidroxilo excepto en uno que tienen un grupo funcional cetona. Sus funciones biológicas principales son dos: energética y estructural Se pueden clasificar en glúcidos sencillos (monosacáridos), que no se pueden descomponer por hidrólisis en otros glúcidos, y complejos que sí se pueden descomponer. Los glúcidos complejos comprenden a los disacáridos (dos monosacáridos unidos), a los oligosacáridos (entre tres y diez monosacáridos) y a los polisacáridos (más de diez). 2. Monosacáridos Son azúcares sencillos, no hidrolizables, de 3 a 7 átomos de C (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas). Si tienen un grupo aldehído se llaman aldosas y si tienen un grupo cetona, cetosas. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 7 Son sólidos, blancos, cristalizables. Solubles en agua (compuestos polares). Generalmente dulces. Los principales son: Gliceraldehído Dihidroxiacetona Ribosa Desoxirribosa Glucosa Galactosa Fructosa ¿Sabrías decir cuáles son triosas, pentosas o hexosas? ¿Y cuáles aldosas y cetosas? ¿Y cuál un derivado? - Gliceraldehído y dihidroxiacetona – importantes intermediarios metabólicos. - Ribosa: componente de ribonucleótidos (ATP, nucleótidos del ARN). - Desoxirribosa (falta un –OH en el carbono 2): componente de desoxirribonucleótidos (del ADN) - Glucosa: principal combustible metabólico. Componente de polisacáridos estructurales y energéticos. - Galactosa: combustible metabólico. Forma parte de la lactosa (azúcar de la leche). - Fructosa: combustible metabólico. Forma parte de la sacarosa. Aparece en frutas y líquidos seminales. Las pentosas y hexosas en disolución suelen ciclarse, de tal forma que aparecen realmente de esta manera: 3. Disacáridos Resultan de la unión de dos monosacáridos mediante un enlace covalente O-glucosídico que se produce al interaccionar un grupo OH de cada uno de los monosacáridos, liberándose una molécula de agua y quedando un O como puente de unión entre ambos monosacáridos. Son glúcidos cristalizables, dulces y solubles. Mediante hidrólisis se desdoblan en monosacáridos. Los principales son: - Maltosa (glucosa - glucosa). Producto de la hidrólisis del almidón y el glucógeno. - Lactosa (glucosa - galactosa). Combustible metabólico. Se encuentra en la leche. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 10 Su función es estructural y protectora. Forman la película que impermeabiliza la superficie de las hojas y frutos de las plantas. En los animales forman cubiertas protectoras de la piel, pelo y plumas, así como del exoesqueleto de muchos insectos. - Fosfolípidos En su estructura se unen una glicerina + 2 ác. grasos + ácido fosfórico. + aminoalcohol Fosfolípido Función - Moléculas anfipáticas: zona polar (glicerina, ác. fosfórico y aminoalcohol); zona apolar (ác. grasos). - Función estructural: son uno de los principales componentes de todas las membranas de todas las células, en las que se disponen formando bicapas. Lípidos insaponificables: No contienen ácidos grasos y no son ésteres. Constituyen un grupo de moléculas con gran actividad biológica que desempeña funciones muy variadas. - Terpenos Son polímeros del isopreno, o 2-metil-1,3-butadieno Presentan dobles enlaces alternos lo que les hace ser moléculas frecuentemente coloreadas. -Caroteno Vitamina A Funciones - Esencias vegetales (mentol, geraniol, limoneno, alcanfor...) - Vitaminas A, K y E. - Carotenoides (licopeno -rojo-, -caroteno -anaranjado-, xantofila -amarillo-, ...). Son pigmentos fotosintéticos que complementan a la clorofila. El -caroteno es el precursor de la vitamina A. - Esteroides Son derivados del esterano (hidrocarburo policíclico). Se diferencian unos de otros en el número y posición de los dobles enlaces y en el tipo, número y posición de los grupos funcionales sustituyentes. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 11 Esterano Colesterol Funciones - Estructural: el colesterol se encuentra en las membranas celulares de muchos animales y en las lipoproteínas del plasma sanguíneo. Es además precursor de otros esteroides. Su acumulación en las paredes de los vasos sanguíneos es responsable de la arteriosclerosis. - Los ácidos biliares son derivados del colesterol que facilitan la emulsión de las grasas. - Vitamínica: el ergosterol es precursor de la vitamina D; se transforma en ella en la piel por acción de la luz ultravioleta. - Hormonal: progesterona y estradiol (hormonas sexuales femeninas); testosterona (hormona sexual masculina); Aldosterona (corticoide). 2.2.5. Proteínas 1. Concepto Son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por C, H, O, N y S. Son macromoléculas de elevado peso molecular formadas por la polimerización de aminoácidos. Constituyen un 50% del peso seco de un organismo. Son específicas de cada especie e incluso de cada organismo. Biológicamente muy activas. Desempeñan una gran diversidad de funciones. 2. Aminoácidos a. Concepto (-aminoácidos) Es una molécula en la que en un carbono, llamado carbono , se disponen un grupo amino, un grupo carboxilo un hidrógeno y una variable llamada radical. Existen veinte radicales distintos en los aminoácidos que constituyen las proteínas de los seres vivos, por lo que nuestras proteínas están formadas por hasta 20aminoácidos diferentes. b. El enlace peptídico Enlace entre el grupo -carboxilo de un aminoácido y el -amino de otro, liberándose una molécula de agua. La unión de dos aminoácidos mediante un enlace peptídico se denomina dipéptido. A partir de 10 aa, se denomina polipéptido. Las proteínas pueden estar formadas por uno o más polipétidos, normalmente de más de 100 aa cada uno. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 12 3. Estructura La función de las proteínas está relacionada con su estructura tridimensional. Se pueden distinguir cuatro niveles de complejidad estructural creciente: a. Estructura primaria Cada proteína se caracteriza por el número, tipo y orden de los aa que la componen. Esta secuencia de aa condiciona los niveles estructurales siguientes. b. Estructura secundaria A veces la secuencia de aa de una determinada zona del polipéptido favorece la formación de unas determinadas estructuras gracias a puentes de H que se forman. Estas pueden repetirse varias veces en una proteína o incluso aparecer en varias proteínas diferentes. También es posible que no se produzca ninguna de ellas. Las más comunes son: - Hélice alfa: la cadena de aminoácidos adopta una estructura helicoidal. - Lámina plegada u hoja : cadena plegada sobre sí misma y en zig-zag. Algunas proteínas no adquieren una mayor complejidad estructural. En este caso reciben el nombre de proteínas fibrosas. El resto continúa con niveles estructurales más complejos, son las proteínas globulares: c. Estructura terciaria (Globular) - Replegamiento tridimensional de una proteína con estructura secundaria. Determina la actividad de la proteína. Las proteínas con estructura terciaria son más activas, las fibrosas suelen ser estructurales. d. Estructura cuaternaria (Proteínas oligoméricas) - Proteínas oligoméricas, formadas por la asociación de varias subunidades proteicas iguales o diferentes mediante enlaces débiles. Un ejemplo de proteína oligomérica es la hemoglobina, formada por cuatro subunidades iguales dos a dos. e. Desnaturalización y renaturalización La desnaturalización es la pérdida de la actividad de una proteína al cambiar su estructura terciaria por algún cambio en el medio (temperatura, pH, salinidad, composición, radiaciones, ...). Si el cambio no ha sido muy drástico se puede producir la renaturalización de la proteína, recuperando su estructura y su actividad. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 15 Para formar las macromoléculas de ácidos nucleicos, los nucleótidos se unen entre sí mediante unos enlaces que llamamos fosfodiéster. El mismo grupo fosfato esterifica al –OH en posición 3’ de un nucleótido y al –OH en posición 5’ de otro nucleótido. En una cadena polinucleotídica habrá siempre un extremo con el grupo 3’ libre y el otro con el grupo 5’ libre. Cada polinucleótido se caracteriza por una secuencia particular de bases nitrogenadas, mientras que el eje básico de pentosa y fosfato es constante. Algunos nucleótidos tienen una función diferente a la de formar ácidos nucleicos, destaca entre ellos el ATP, molécula con una elevada energía química potencial debido a los enlaces entre los grupos fosfato. Actúa como moneda energética en las reacciones metabólicas. 2. ADN El ácido desoxirribonucleico o ADN es un polinucleótido formado por desxirribonucleótidos, con desoxirribosa como pentosa, y A, T, G y C como bases nitrogenadas. Se encuentra en el núcleo formado junto a ciertas proteínas que le acompañana la cromatina (y los cromosomas cuando la célula está en división). También hay pequeñas cantidades en mitocondrias y cloroplastos. La estructura del ADN es la de una doble hélice (modelo elaborado por Watson y Crick en 1953). • Dos cadenas de nucleótidos antiparalelas (una orientada en dirección 5'-3' y la otra 3'-5'). • Complementarias (la A de una cadena se une a una T de la otra y cada G se une a una C). Es precisamente esta complementariedad la que mantiene la estructura, ya que se forman puentes de H entre estas bases. • Las bases se dirigen hacia el interior de la doble hélice. • Las cadenas están enrolladas alrededor de un eje imaginario. La función del ADN es la de contener la información hereditaria: - La información está codificada en forma de secuencia de bases. - El ADN tiene la capacidad de duplicarse fácilmente gracias a la complementariedad de bases. Es la replicación. De esta forma permite que su información se herede. - Los genes son fragmentos de ADN que llevan la información necesaria para la síntesis de un polipéptido. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 16 3. ARN El ácido ribonucleico o ARN es un polinucleótido formado por ribonucleótidos, con ribosa como pentosa, y A, U, G y C como bases nitrogenadas. Se encuentra tanto en el núcleo como en el citoplasma celular. Su estructura es más simple que la del ADN, ya que suele ser una simple cadena de nucleótidos. Su función está relacionada con la interpretación del mensaje genético. Existen distintos tipos de ARN que funcionan de forma coordinada: ARN mensajero (ARNm) Son moléculas lineales que se forman en el núcleo por complementariedad a partir de un gen (transcripción). Llevan una copia del mensaje genético contenido en el ADN al citoplasma, donde se encuentran los ribosomas que lo emplearán como molde en el proceso de síntesis de proteínas (traducción). Cada triplete de bases o codón será correspondido con un aminoácido en la cadena polipeptídica. ARN transferente (ARNt) Se encarga de aportar aminoácidos durante la síntesis de las proteínas. Tiene una estructura secundaria particular, con zonas de complementariedad que forman brazos y zonas no apareadas que forman bucles. En uno de estos bucles se encuentra el anticodón, secuencia de tres nucleótidos que se complementa con los codones del ARNm y que determina qué aminoácido se une al ARNt. El aminoácido correspondiente se une al único brazo que no tiene bucle y que se conoce como brazo aceptor del aminoácido. ARN ribosómico (ARNr) Se asocia a proteínas para construir los ribosomas, estructuras implicadas en la traducción del ARNm. 3. Organización celular de los seres vivos. Los seres vivos estamos constituidos por células. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 17 Esta idea, que nadie pone en duda actualmente, es sin embargo, bastante reciente, porque la mayoría de las células son invisibles a simple vista. Es por ello que la teoría celular y su evolución han estado muy unidas al desarrollo del microscopio 3.1 La teoría celular 3.1.1 Desarrollo histórico 3.1.2 Principios de la teoría celular 3.2 Microscopía óptica y electrónica Robert Hooke observa con lentes de aumento trozos de corcho y utiliza por primera vez el término "célula“. Anton van Leewonhoek construye los primeros microscopios con los que observa y describe organismos unicelulares. Robert Brown describe el núcleo celular. Matthias Schleiden  y Theodor Schwann  proponen las ideas fundamentales de lo que será la "teoría celular": la célula como unidad de los seres vivos. Purkinje propone el término "protoplasma" para definir el interior de la célula. Rudolf Virchow enuncia la idea básica de que toda célula procede de otra. Santiago  Ramón y Cajal  recibe el premio Nobelal demostrar que también los tejidos nerviosos están formados por células. 1.- La célula es la unidad estructural de los seres vivos. Todos los organismos se encuentran formados por una o más células. 2.- La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos. Es la mínima unidad de la materia que puede llevar a cabo todas las funciones de un ser vivo. 3.- Toda célula procede por división de otra ya existente. 4.- El material hereditario conteniendo las características genéticas de una célula pasa de la célula madre a la hija. 1665 1674 1831 1838-39 1839 1855 1906 I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 20 3.3 Tipos celulares: célula procariótica y eucariótica animal y vegetal No todas las células poseen el mismo grado de organización. Las primeras que surgen en el curso de la evolución debían ser muy simples. Sus representantes actuales son las bacterias, organismos formados por una única célula procariota (que no tiene un núcleo verdadero separado del citoplasma por una membrana, de hecho no tiene ninguna membrana interna). El resto de los seres vivos actuales tenemos unas células más complejas, con un núcleo bien diferenciado, que reciben el nombre de células eucariotas. La estructura básica de una célula (independientemente de si es procariota o eucariota) consta de: - Membrana plasmática: que la separa del medio externo pero que permite el intercambio de materia. - Material genético: Todas las células contienen información genética (moléculas de ADN). Este material genético se puede encontrar libre dentro de la célula o rodeado de una membrana constituyendo el núcleo celular. A la fuerza deben tener ribosomas para que ese material genético pueda expresarse y formar las proteínas. - Citoplasma: solución acuosa en la que se llevan a cabo las reacciones metabólicas y donde se encuentran otras estructuras como los ribosomas. Las diferencias básicas entre unas y otras son: •Las células procariotas son mucho más pequeñas y de organización celular más simple que las eucariotas. •Las células procariotas no presentan membrana nuclear (núcleo), las eucariotas sí. •Las células procariotas no presentan orgánulos (a excepción de los ribosomas), por lo que las reacciones metabólicas ocurren directamente en el citoplasma. Las células eucariotas realizan los distintos procesos metabólicos en orgánulos especializados. Por ejemplo, la respiración celular en la mitocondria, la fotosíntesis en los cloroplastos, la digestión celular en los lisosomas… I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 21 3.3.1 Célula procariota La estructura de estas células propias de las bacterias es la siguiente: - La membrana plasmática esta rodeada por una cubierta rígida llamada pared celular compuesta por peptidoglucano. Además, pueden tener otra capa gelatinosa por encima denominada cápsula. - La membrana presenta unas invaginaciones llamadas mesosomas y donde se sitúan algunos enzimas relacionados con la obtención de energía. - El citoplasma contiene numerosos ribosomas 70S (es una medida indirecta de su tamaño, son más pequeños que los 80S que tienen las eucariotas) y en las cianobacterias aparecen unos sistemas membranosos que contienen la clorofila y que se disponen de forma concéntrica en torno al ADN. - Carecen de núcleo verdadero. El ADN circular y cerrado, forma una única molécula llamada cromosoma bacteriano. La región del interior de la célula que contiene este ADN se llama nucleoide que normalmente está en posición central en la célula. En algunos casos pueden aparecer plásmidos (otras pequeñas moléculas circulares de ADN). - No tienen movimientos citoplasmáticos internos, (carecen de citoesqueleto). Esto impide el movimiento ameboide. Se mueven por flagelos, (diferentes de los de eucariotas). Aparte pueden tener otros apéndices en su superficie de menor longitud, como los pili (para transferir plásmidos) o las fimbrias (para adherise al sustrato). La morfología de las bacterias es muy variada. Atendiendo a su forma se clasifican en: A) Bacilos: Son bacterias de forma cilíndrica más o menos alargada. B) Diplococos Cocos: Son bacterias de forma esférica u ovoide, que se pueden encontrar aisladas, en grupos de dos (diplococos) en filamentos (estafilococos), etc. C) Espirilos: Son bacterias de forma espiralada D) Vibrios: Son bacterias que tienen forma de coma. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 22 3.3.1 Célula eucariota Son mucho más grandes (10.000 veces de media) y más complejas que las procariotas. Su nombre deriva del hecho de tener un núcleo verdadero, separado por membranas del citoplasma. Su principal característica es que poseen sistemas de membranas que dividen el interior de la célula en numerosos compartimentos (no existen en las procariotas) especializados en las distintas funciones. La compartimentación permite un metabolismo más complejo (sin él, las enzimas estarían mezcladas y la actividad sería caótica) Interesante: vídeo sobre la célula eucariota. No menos que este, enlace. A. Célula animal Presenta una morfología variada. En este enlace puedes ver algunas imágenes impresionantes. Partes de la célula animal Membrana Citoplasma Citosol Orgánulos membranosos Retículo endoplasmático Aparato de Golgi Lisosomas Mitocondrias Peroxisomas Orgánulos no membranosos Citoesqueleto Centrosoma Cilios y flagelos Ribosomas Núcleo Membrana nuclear Cromatina Nucléolo Nucleoplasma Se pueden diferenciar I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 25 Los lisosomas son vesículas delimitadas por una membrana que se forman como burbujas liberadas de los dictiosomas. Contienen enzimas digestivos pues su función es unirse a vacuolas digestivas y descomponer las partículas alimenticias que estas han introducido del exterior. Intervienen también en procesos de degeneración celular por autodigestion. Los peroxisomas son otras vesículas muy similares a los lisosomas, que contienen enzimas del tipo catalasas o peroxidasas que descomponen el peróxido de hidrógeno (H2O2agua oxigenada) formado en ciertas reacciones. Se pueden presentar pequeñas vesículas que almacenan sustancias al igual que hacen las vacuolas vegetales. Las mitocondrias son alargadas y con forma de habichuela. Presentan doble membrana: la interna plegada hacia el interior forma las crestas mitocondriales. El contenido o matriz tiene ribosomas parecidos a los de los procariotas (70S, menores que los del citoplasma) y moléculas de ADN desnudo y circular, por lo que puede fabricar alguna de sus proteínas. Es un resto de su pasado independiente. Son las centrales energéticas de las células porque realizan las ultimas etapas de la respiración aerobia, en las que moléculas sencillas en presencia de oxígeno se descomponen en CO2 y H2O y se libera energía en forma de ATP. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 26 1.3 El núcleo Es la estructura mas voluminosa del interior celular. Sus principales funciones son: - Contiene el material genético - Organiza su reparto en la división - Dirige la actividad de la célula. Existen dos estados morfológicos y funcionales diferentes en el núcleo: núcleo en interfase y durante la división (en la que desaparece como estructura definida). El núcleo interfásico es una estructura única (aunque hay células plurinucleadas), generalmente esférica aunque de forma y tamaño definidos para cada célula. La envoltura nuclear es una doble membrana: la interna y la externa, que se prolonga con las del retículo. Las membranas nucleares están atravesadas por poros que permiten el paso selectivo de moléculas de cierto tamaño como el ARN. El nucleoplasma es el medio en el que se realiza la síntesis de los ácidos nucleicos y contiene todos los elementos necesarios para ello. El nucléolo es una estructura esférica sin membrana formada por una fracción de ADN, proteínas y ARN ribosómico que se fabrica a este nivel, por lo que su función es organizar los componentes de los ribosomas. La cromatina está formada por una maraña de filamentos ultramicroscópicos de ADN y proteínas, es decir el material genético que realiza sus dos actividades: se transcribe para dar ARN y dirigir la síntesis de proteínas o se duplica para repartirse cuando llegue la división. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 27 B. Célula vegetal En general son similares a las células animales, pero presentan una serie de diferencias: carecen de centriolos, cilios o flagelos, y poseen orgánulos y estructuras exclusivas como los cloroplastos, la pared celular y las vacuolas. La pared celular es pared rígida que protege las células y mantiene la forma. Su composición es mayoritariamente de celulosa. Las vacuolas en células adultas pueden ocupar el 90% del volumen celular. Su función es estructural, manteniendo la presión interna y acumulando sustancias de reserva, pigmentos o productos de desecho Los cloroplastos son orgánulos rodeados de una doble membrana (como el núcleo y las mitocondrias) que delimita un espacio interior llamado estroma. Su tamaño varía entre 2 y 6 µm y puede haber entre 20 y 40 en una célula. En el estroma (equivalente a la matriz mitocondrial) se sitúan unas formaciones membranosas en forma de sacos apilados y aplanados llamados tilacoides. Una pila de tilacoides recibe el nombre de grana. Los cloroplastos tienen ADN propio y ribosomas, ambos del tipo bacteriano, con lo que pueden fabricar algunas proteínas propias. Su función es realizar la fotosíntesis. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 30 3.4.1.1. Obtención de la materia. Todas las células necesitan nutrientes orgánicos e inorgánicos. Los inorgánicos como el agua o las sales los obtienen del medio en el que viven. Los orgánicos pueden obtenerlos de dos formas: - Células heterótrofas: incorporan nutrientes orgánicos elaborados por otros organismos. Recuerda que en el caso de una célula, es el lisosoma el encargado de la hidrólisis o digestión de las moléculas más complejas hasta transformarlas en glucosa o ácidos grasos. Aquí no se genera energía. - Células autótrofas: son capaces de crear sus propios nutrientes orgánicos a partir de sustancias inorgánicas. Una forma de nutrición autótrofa es la fotosíntesis; otra la quimiosíntesis. La fotosíntesis Es el proceso anabólico que consiste en la obtención de materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos utilizando como fuente de energía la luz solar. La fotosíntesis la realizan organismos autótrofos como algas, vegetales y muchos microorganismos. La luz es captada por la clorofila de modo que sólo las células que tengan ese pigmento podrán realizar la fotosíntesis. Los productos finales son moléculas orgánicas muy variadas, pero la que más importancia tiene desde el punto de vista de los demás seres vivos es la glucosa. En las células eucariotas autótrofas, el proceso tiene lugar en los cloroplastos y se desarrolla en dos fases: la luminosa y la oscura. En la fase luminosa, que sucede en la membrana de los tilacoides y sólo puede realizarse en presencia de luz, la energía solar captada por la clorofila se utiliza para dos cosas: sintetizar ATP y romper moléculas de H2O para obtener hidrógeno (H+). De esta forma se libera O2. En la fase oscura, que sucede en el estroma y que no necesita luz (puede darse tanto de día como de noche), se utilizan el ATP y el hidrógeno para transformar CO2 y otras moléculas inorgánicas en materia orgánica. La quimiosíntesis Es el proceso por el que se consigue materia orgánica a partir de inorgánica utilizando la energía que se libera en reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos reducidos. La hacen algunas bacterias que son independientes tanto del Sol como de otros seres vivos. Son muy importantes en ciertos ecosistemas del fondo oceánico. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 31 3.4.1.2. Obtención de la energía. Independientemente de la forma en la que la célula haya obtenido sus nutrientes orgánicos, una parte de ellos se usan de combustible celular. El principal combustible es la glucosa, cuya degradación libera energía que se utiliza para formar el ATP necesario para las actividades vitales de la célula. Su degradación se lleva a cabo en presencia de oxígeno (respiración celular) o en ausencia de oxígeno (fermentaciones). En ambos casos, en el citosol, la molécula de glucosa de 6C se rompe (glucólisis) en dos de 3C, produciendo una pequeña cantidad de ATP. Después, dependiendo de si hay o no oxígeno se proseguirá con: La respiración celular Si hay oxígeno (condiciones aerobias), el proceso continúa en las mitocondrias. En la matriz mitocondrial, las dos moléculas de 3C terminan transformándose en 6 CO2, y en protones H+ mediante una reacción llamada ciclo de Krebs. Esos protones son ahora empleados por unos mecanismos situados en la membrana mitocondrial interna para crear el ATP que necesita la célula. Al final, este hidrógeno se une al oxígeno y libera agua. La fermentación En ausencia de oxígeno, se produce la fermentación (alcohólica, láctica, etc), que se caracteriza por: a. Ser un proceso anaerobio. b. Los productos finales son materia orgánica (etanol, lactato…) de los que todavía se podría obtener energía, es decir, no hay una degradación completa de la materia orgánica. c. El rendimiento energético es mucho menor que en la respiración celular (sólo 2 ATP por glucosa frente a los 38 ATP de la respiración celular). Puede ser la única vía posible de obtención de energía para algunos tipos de células (anaerobias estrictas), o una vía alternativa para obtener energía en caso de necesidad (células musculares, anaerobias facultativas). Todos los procesos que hemos visto presentan una serie de características comunes: - Están controlados por enzimas que son catalizadores biológicos. - Consisten en una secuencia de reacciones en las que los productos de una reacción son los sustratos de la siguiente. - El ATP participa en todos ellos degradándose o formándose. I. LAS BASES QUÍMICAS DE LA VIDA Apuntes Biología 1º Bachillerato 32 3.4.2 Relación celular La relación consiste en recibir información en forma de estímulos y responder adecuadamente. Por tanto, implica dar respuestas a los cambios medioambientales. Esos cambios medio ambientales reciben el nombre de estímulos y todo ser vivo, ya sea microscópico o macroscópico, está continuamente recibiéndolos. Estos estímulos pueden ser químicos (cambios de PH; concentración de oxígeno, sales minerales...) o físicos (cambios de temperatura, presión, luz...). La relación, a nivel celular: la recepción de los estímulos se realiza siempre a nivel de la membrana biológica, en la cual se encuentran los receptores sensitivos (proteínas receptoras, las cuales son capaces de reaccionar ante esos estímulos) y posteriormente las células van a dar respuestas de unos de los siguientes dos tipos: • Estáticas: aquella en donde no hay movimiento celular, ya que es la forma de dar respuesta a un estímulo recibido. Ej.: enquistamiento, que suele darse cuando las condiciones ambientales son desfavorables y por ello la célula se queda quiera. • Dinámicas: implica el movimiento celular, y por ello hablamos de un tactismo. Si la célula se mueve hacia el estímulo se daria un tactismo positivo, y en el caso contrario el tactismo seria negativo. El movimiento puede ser de tres tipos: o Movimiento vibrátil: se produce por la acción de dos estructuras celulares...Los cilios en el caso de ser cortos y numerosos; y los flagelos si son largos y solo hay uno o dos. Los cilios se mueven como remos, con movimientos de empuje, mientras que los flagelos como látigos. En los organismos unicelulares, los cilios y los flagelos sirven para el desplazamiento del organismos. En los pluricelulares, los flagelos permiten el desplazamiento de algunas células como los espermatozoides, mientras que los cilios se encuentran tapizando superficies internas y no mueven a las células sino al medio que las rodea. o Movimiento ameboide: La célula avanza por la emisión de seudópodos, o falsos pies, que son prolongaciones del citoplasma, dirigidas por filamentos del citoesqueleto. Los seudópodos sirven para la locomoción y la alimentación, ya que permiten englobar partículas que ingresan en el interior de una vesícula al citoplasma. Este movimiento se observa en protozoos. o Movimiento contráctil: Es un acortamiento de la célula que se produce al deslizarse filamentos de actina y miosina que la célula tiene en su citoplasma. Se da en numerosos tipos celulares (protozoos, o hasta las células musculares de los vertebrados). 3.4.3 Reproducción celular La reproducción celular se reduce siempre a una división mediante la cual la célula se divide en dos (o más) partes, cada una de las cuales aumenta de tamaño hasta alcanzar el de la célula madre. Durante la división la célula madre desaparece y en su lugar aparecen dos (o más) células hijas. La reproducción celular se acompaña de profundos y complicados cambios estructurales, que afectan, especialmente, al núcleo y que caracterizan los dos tipos principales de división: mitosis y meiosis. • Mediante mitosis se obtienen dos células hijas con la misma dotación cromosómica de la madre. Para ello, antes de iniciar la división se duplica el ADN de la célula madre. • La meiosis consiste en dos divisiones sucesivas. Al igual que en la mitosis, antes de iniciar la primera división, se procede a duplicar el ADN (no ocurre lo mismo para la segunda división). Como resultado se obtienen cuatro células hijas con la mitad de cromosomas que la célula madre. Ambos tipos de división se verán con detalle posteriormente.