BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 1º BACHILLERATO Tema 7. Características generales de los seres vivos

Índice Constituyentes químicos de los seres vivos 1.1 Bioelementos 1.2 Biomoléculas 1.2.1 Biomoléculas inorgánicas 1.2.2 Biomoléculas orgánicas La unidad estructural de los seres vivos 2.1 Características generales de las células 2.2 Tipos de células Funciones básicas de los seres vivos 3.1 Nutrición 3.2 Relación 3.3 Reproducción. Ciclos biológicos

1. Constituyentes químicos de los seres vivos En todos los seres vivos aparecen los mismos tipos de moléculas denominadas biomoléculas o principios inmediatos, formadas por la combinación de una serie de elementos químicos llamados bioelementos.

1.1 Bioelementos Elementos presentes en las biomoléculas, es decir, en las moléculas que forman los seres vivos. También se llaman elementos biogénicos. Se encuentran en la tabla periódica y no son exclusivos de los seres vivos. De los 117 existentes, 70 forman parte de las biomoléculas. Las proporciones de los bioelementos mayoritarios difieren de las que encontramos en la corteza terrestre. Los bioelementos más importantes son: C, H, O, N, P y S. El C es fundamental por su estructura tetraédrica (4 orbitales con electrones desapareados) que hace posible la formación de enlaces covalentes con otros átomos de C, originando cadenas muy variadas en los seres vivos, y también con átomos y grupos funcionales variados. Bioelementos secundarios: Ca, Mg, Cl, Na, K. Oligoelementos: En proporciones inferiores al 0,1 % como Fe, Cu, Mn, I, Ni, Co, Si, F, Cr, Li, Bo, Mo, Al.

1.2 Biomoléculas Moléculas formadas por bioelementos que constituyen los seres vivos. También se llaman principios inmediatos por obtenerse sin alteración a través de métodos físicos como filtración, destilación, centrifugación y decantación. Se calcula que una célula eucariota puede contener más de 10.000 moléculas diferentes, todas incluidas en dos grupos: Biomoléculas inorgánicas: agua y sales minerales Biomoléculas orgánicas: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos

1.2.1 Biomoléculas inorgánicas El agua Es la biomolécula más abundante en los seres vivos (entre el 50 y el 95 % del su peso). La cantidad de agua depende de: Especie. Los organismos acuáticos tienen más que los terrestres. Edad del individuo. Con el tiempo las estructuras se deshidratan. Tipo de tejido u órgano. Cuanto más activo es un tejido mayor es su contenido en agua, de modo que los esqueletos son los órganos con menor cantidad. . Las propiedades del agua permiten aprovechar esta molécula para algunas funciones para los seres vivos. Estas funciones son las siguientes: Función amortiguadora: debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento. Función termorreguladora: al tener un alto calor específico y un alto calor de vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario Disolvente polar universal: el agua, debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se disuelven en el agua. Lugar donde se realizan reacciones químicas: debido a ser un buen disolvente, por su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de ionización. Función estructural: por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia. Función de transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada constante dieléctrica, y por poder ascender por las paredes de un capilar, gracias a la elevada cohesión entre sus moléculas, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.

Las sales minerales Son compuestos solubles o insolubles en agua presentes también en los seres vivos. Si son insolubles suelen formar estructuras sólidas como caparazones o esqueletos. Las sales disueltas aparecen disociadas en Aniones: Cl-, CO32-, HCO3-, PO43-, SO42- Cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+ Funciones de las sales minerales: Constitución de estructuras duras y de sostén. Fosfatos, carbonatos y sílice precipitados, presentes en esqueletos, caparazones, espículas, ciertas semillas y frutos, paredes celulares vegetales. Funciones fisiológicas y bioquímicas. Para realizarlas correctamente se deben mantener en equilibrio las concentraciones de los diferentes iones.

1.2.2. Biomoléculas orgánicas Glúcidos Los glúcidos son biomoléculas orgánicas. Están formados por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, aunque además, en algunos compuestos también podemos encontrar Nitrógeno y Fósforo. También se llaman azúcares, carbohidratos o hidratos de carbono. Dependiendo de la molécula que se trate, los Glúcidos pueden servir como: Combustible: los monosacáridos se pueden oxidar totalmente, obteniendo unas 4 KCal/g. Reserva energética: el almidón y el glucógeno son polisacáridos que acumulan gran cantidad de energía en  su estructura, por lo que sirven para guardar energía excedente y utilizarla en momentos de necesidad. Formadores de estructuras: la celulosa o la quitina son ejemplos de polisacáridos que otorgan estructura resistente al organismo que las posee. La ribosa y la desoxirribosa forman parte de los ácidos nucleicos.

Lípidos Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, que pueden aparecer en algunos compuestos el Fósforo y el Nitrógeno. Constituyen un grupo de moléculas con composición, estructura y funciones muy diversas, pero todos ellos tienen en común varias características: No se disuelven en agua, formando estructuras denominadas micelas. Se disuelven en disolventes orgánicos, tales como cloroformo, benceno, aguarrás o acetona. Son menos densos que el agua, por lo que flotan sobre ella. Son untosos al tacto. Según el tipo tienen distintas funciones. Los acilglicéridos (aceites y grasas) Funcionan como reserva energética. Acumulan mucha energía en poco peso. Comparada con los glúcidos, su combustión produce más del doble de energía. Sirven como aislantes térmicos. Conducen mal el calor. Los animales de zonas frías presentan, a veces, una gran capa de tejido adiposo. Son buenos amortiguadores mecánicos. Absorben la energía de los golpes y, por ello, protegen estructuras sensibles o estructuras que sufren continuo rozamiento. Los fosfoglicéridos y los esfingolípidos son moléculas que aparecen formando  parte de la estructura de las membranas celulares. Estas moléculas presentan una parte polar (cabeza polar) y una parte apolar (colas apolares). Por este motivo, se dice que son anfipáticos. Los esteroides son derivados del ciclopentano - perhidrofenantreno. Esta molécula origina moléculas tales como colesterol, estradiol, progesterona, testosterona, aldosterona o corticosterona. Todas ellas son esenciales para el funcionamiento de nuestro metabolismo. Los isoprenoides o terpenos se forman por la unión de moléculas de isopreno y están relacionadas con la recepción de estímulos lumínicos o químicos.

Proteínas Los Prótidos son biomoléculas orgánicas. Están formados por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. En ocasiones aparecen Fósforo y Azufre. Este grupo está compuesto por tres tipos de moléculas, que se clasifican atendiendo a su tamaño. Son los aminoácidos, los péptidos y las proteínas. Funciones de las proteínas Función estructural: forman estructuras capaces de soportar gran tensión continuada, como un tendón o el armazón proteico de un hueso o un cartílago. También pueden soportar tensión de forma intermitente, como la elastina de la piel o de un pulmón. Además, forman estructuras celulares, como la membrana plasmática o los ribosomas. Movimiento y contracción: la actina y la miosina forman estructuras que producen movimiento. Mueven los músculos estriados y lisos. La actina genera movimiento de contracción en muchos tipos de células animales. Transporte: algunas proteínas tienen la capacidad de transportar sustancias, como oxígeno o lípidos, o electrones. Reserva energética: proteínas grandes, generalmente con grupos fosfato, sirven para acumular y producir energía, si se necesita.  Función homeostática: consiste en regular las constantes del medio interno, tales como pH o cantidad de agua. Función defensiva: las inmunoglobulinas son proteínas producidas por linfocitos B, e implicadas en la defensa del organismo. Función hormonal: algunas proteínas funcionan como mensajeros de señales hormonales, generando una respuesta en los órganos blanco. Función enzimática: las enzimas funcionan como biocatalizadores, ya que controlan las reacciones metabólicas, disminuyendo la energía de activación de estas reacciones.

Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son grandes moléculas constituidas por la unión de monómeros, llamados nucleótidos. Los ácidos nucleicos son el ADN y el ARN. Nucleótidos Los nucleótidos son moléculas que se pueden presentar libres en la Naturaleza o polimerizadas, formando ácidos nucleicos. También pueden formar parte de otras moléculas que no son ácidos nucleicos, como moléculas portadoras de energía  o coenzimas. Los nucleótidos se forman por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y uno o más ácidos fosfóricos. La unión de una pentosa y una base nitrogenada origina un nucleósido, y su enlace se llama N - glucosídico. Por ello, también un nucleótido es un nucleósido unido a uno o más ácidos fosfóricos. Las bases nitrogenadas pueden ser Púricas (adenina y guanina) o Pirimidínicas (citosina, uracilo y timina). El ADN es el Ácido DesoxirriboNucleico. Es el tipo de molécula más compleja que se conoce. Su secuencia de nucleótidos contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo un ser vivo. El ADN es el lugar donde reside la información genética de un ser vivo. El Ácido RiboNucleico está constituido por la unión de nucleótidos formados por una pentosa, la Ribosa, un bases nitrogenadas, que son Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. No aparece la Timina. En la célula aparecen cuatro tipos de ARN, con distintas funciones, que son el ARN mensajero, el ARN ribosómico, el ARN transferente  y el ARN heteronuclear.

2. La unidad estructural de los seres vivos La teoría celular Aristóteles (x. IV a.C.) y Paracelso (S. XVI) ya adelantaron que los seres vivos estaban constituidos por pequeñas unidades elementales. El término célula se debe a Robert Hooke (1665) que descubrió pequeñas celdillas en láminas de corcho y otros tejidos vegetales. A. Van Leeuwenhoek (1674), con ayuda de mejores lentes, observó gran número de formas vivas a las que llamó animálculos, y también describió las células presentes en la sangre. Robert Brown (1831) definió el núcleo de las células. Matthias Schleiden y Theodor Schwann (1838) enunciaron el postulado básico de la teoría celular: todos los tejidos vegetales y animales están compuestos por una o más células que son las unidades básicas de todos los organismos. Rudolf Virchow (1855), estableció que todas las células proceden de otras anteriores. Santiago Ramón y Cajal (1906) demostró la individualidad de las neuronas y la universalidad de la teoría celular, aplicada también al tejido nervioso.

Puntos básicos de la teoría celular: Unidad vital. La célula es el ser vivo más pequeño y más sencillo. Unidad anatómica o estructural. Todos los seres vivos están compuestos por una o más unidades vivas llamadas células. Unidad fisiológica o funcional. Cada célula posee su propia actividad vital (se nutre, se relaciona, se reproduce) Unidad de origen o genética. Toda célula procede de otra preexistente por división.

2.1 Características generales de las células Todas las células presentan una membrana que las individualiza respecto al ambiente externo y constituye su límite, encargándose de controlar el intercambio de sustancias y de información con el exterior. El citoplasma está formado por una disolución coloidal de biomoléculas que por su gran tamaño se mantienen en suspensión en un medio acuoso. En él se llevan a cabo las reacciones químicas características de la vida. Las células más evolucionadas (eucariotas) presentan en el interior unos compartimentos llamados orgánulos celulares, con funciones concretas. Todas las células poseen material genético (ADN y ARN) como información para coordinar y dirigir las funciones celulares. En los eucariotas este ADN está encerrado en una membrana y forma el núcleo. La forma de la célula está en relación con la misión que desempeña. El tamaño oscila entre 0,3 μm y 50 μm por lo que sólo se ven al microscopio salvo excepciones (Acetabularia, células musculares, óvulos de las aves).

2.2 Tipos de células

3. Funciones básicas de los seres vivos Todos realizan las mismas funciones: Nutrición. Los seres vivos crecen y mantienen sus funciones gracias a los nutrientes que transforman mediante las reacciones metabólicas (anabolismo y catabolismo). Relación. Perciben estímulos y elaboran respuestas interaccionando con otros seres y con el ambiente al que se adaptan y en el que sobreviven. Reproducción. Crean individuos nuevos semejantes a ellos, ya sea por mecanismos asexuales o sexuales, asegurando así el futuro de la especie. 3.1 Nutrición Autótrofa. Toman del exterior moléculas inorgánicas sencillas con las que construyen las moléculas orgánicas que necesitan. Esta síntesis de materia orgánica requiere un aporte de energía que procede de la luz solar (fotosintéticos) o de ciertos compuestos químicos (quimiosintéticos). Después las células utilizan esas moléculas orgánicas del mismo modo que lo hacen los heterótrofos. Son los organismos productores. Heterótrofa. Incapaces de sintetizar la materia orgánica, la tienen que incorporar consumiendo a otros seres vivos o sus restos, como hacen los saprófitos. Son los organismos consumidores. Estos alimentos suelen ser complejos y no pueden ser utilizados directamente por las células por lo que han de pasar por un proceso de digestión. Tras éste, los nutrientes sencillos entran ya en las células para que se lleve a cabo el metabolismo.

Metabolismo celular La célula es una entidad dinámica que se encuentra en continuo cambio con multitud de reacciones químicas que se generan en su interior. Este conjunto de reacciones se denomina metabolismo celular y permite a las células mantener y perpetuar su composición frente a los cambios ambientales. Sin metabolismo no existiría ni automantenimiento, ni reproducción y sin organización celular no existiría metabolismo. En el metabolismo celular existen reacciones de construcción o anabólicos y los de destrucción o catabólicos. Se trata de una actividad muy coordinada en la que participan sistemas enzimáticos  mutuamente relacionados, intercambiando materia y energía entre la célula y el entorno. El metabolismo esta constituido por rutas metabólicas, que consisten en la sucesión de reacciones enzimáticamente catalizadas, en ocasiones por complejos multienzimáticos, que transforman un sustrato S en un producto final P a través de una serie de metabolitos intermediarios (a, b, c, d, etc.). S --® a --® b --® c --® d --® P

Las funciones específicas del metabolismo son: 1) Obtención de energía química que se almacena en forma de ATP. 2) Transformación de las moléculas nutritivas exógenas en biomoléculas empleadas en la construcción de componentes macromoleculares de la célula. 3) Ensamblaje de estas biomoléculas para formar proteínas, lípidos, ac. nucleicos y otros componentes celulares. 4) Formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones especializadas de la célula. El metabolismo se divide en dos fases: El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo en la cual las moléculas nutritivas complejas y grandes (polisacáridos, lípidos y proteínas) se degradan para producir moléculas sencillas (ac. láctico, CO2, urea, amoniaco) transformando la energía liberada en el proceso degradativo en energía química que se almacena en forma de ATP. El anabolismo es la fase biosintetizadora del metabolismo, en la cual tiene lugar la biosíntesis de componentes moleculares de las células tales como proteínas, ac. nucleicos, polisacáridos y lípidos a partir de precursores sencillos. Estos procesos precisan de la energía química aportada por el ATP. Catabolismo y anabolismo se desarrollan simultáneamente y de modo concurrente en las células, pero son regulados de forma independiente.

Catabolismo y anabolismo

Procesos catabólicos: Respiración y fermentación La respiración celular es una combustión biológica y puede compararse con la combustión de carbón, bencina, leña. En ambos casos moléculas ricas en energía son degradadas a moléculas más sencillas con la consiguiente liberación de energía. La respiración ocurre en distintas estructuras celulares. La primera de ellas es la glucólisis que ocurre en el citoplasma y forma ácido pirúvico o piruvato. La segunda etapa dependerá de la presencia o ausencia de O2 en el medio, determinando en el primer caso la respiración aeróbica, y en el segundo caso la respiración anaeróbica o fermentación (ocurre en el citoplasma).

La respiración aeróbica se cumple en dos etapas: el ciclo de Krebs y el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa (estos dos últimos procesos transcurren acopladamente). En las células eucariotas estas reacciones tienen lugar dentro de las mitocondrias; en las procariotas se llevan acabo en estructuras respiratorias de la membrana plasmática. En las mitocondrias, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, se oxida a dióxido de carbono y agua, completándose así la degradación de la glucosa. A la falta de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse por fermentación en etanol (alcohol etílico) o ácido láctico según el tipo de célula. Por ejemplo, las células de las levaduras pueden crecer con oxígeno o sin él. Al extraer jugos azucarados de las uvas y al almacenarlos en forma anaerobia, las células de las levaduras convierten el jugo de la fruta en vino al convertir la glucosa en etanol. Cuando el azúcar se agota las levaduras dejan de fermentar y en este punto la concentración de alcohol está entre un 12 y un 17 % según sea la variedad de la uva y la época en que fue cosechada. Además de las fermentaciones láctica y alcohólica existen otras en los que el rendimiento energético es también bajo, por ejemplo, cuando la molécula de partida es una proteína en lugar de un glúcido se producen sustancias malolientes y el proceso se llama putrefacción. Los organismos en cuyo metabolismo no interviene el oxígeno se llaman anaerobios, a veces son estrictos (el oxígeno es tóxico) y a veces facultativos (pueden llevar a cabo también la respiración aerobia según las circunstancias).

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA

Anabolismo El anabolismo consiste en un conjunto de reacciones de reducción que requieren aporte de energía para construir moléculas complejas. Hay dos tipos de procesos anabólicos: Comunes a todos los seres vivos. Se trata de construir moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas simples. Ej. Síntesis de proteínas, almacenamiento de glucosa en forma de polisacárido, o síntesis de ADN y ARN. Específicos de seres autótrofos. Construyen moléculas orgánicas a partir de inorgánicas. Dentro de este hay, a su vez dos tipos: Fotosíntesis. Propia de organismos vegetales, protistas (algas) y ciertas bacterias. Utiliza la luz como fuente primaria de energía. En eucariotas se produce gracias a los cloroplastos. Quimiosíntesis. Propia de ciertas bacterias. Utilizan compuestos químicos como fuente primaria de energía. Se produce en organismos que habitan en ambientes extremos, como las sulfatizantes y las nitrificantes.

3.2 Relación Los seres vivos necesitan relacionarse con el entorno y adaptarse a sus condiciones cambiantes. Su equilibrio reside en la existencia de mecanismos de recepción de señales y de autorregulación frente a los cambios ambientales. La relación se lleva a cabo en tres etapas: 1. Recepción de información La célula y los seres vivos pluricelulares deben disponen de estructuras receptoras de señales o estímulos del exterior. Estos pueden ser tanto físicos (presión, temperatura, luz) como químicos (variación de acidez, presencia de moléculas). En organismos pluricelulares animales se desarrollan los órganos de los sentidos. 2. Integración de la información Una vez recibida la información se procesa para elaborar una respuesta adecuada. En animales veremos cómo se produce un proceso de cefalización con la creación del encéfalo como órgano de coordinación fundamental. 3. Producción de la respuesta Las respuestas son variadas, de movimiento, de secreción de sustancias, de transformación celular, de creación de estructuras protectoras, incluso de división celular.

3.3 Reproducción. Ciclos biológicos La reproducción consiste en formar individuos idénticos o parecidos a los progenitores y resulta imprescindible para mantener la vida, ya que las estructuras biológicas se deterioran con el tiempo. Desaparecen los individuos pero no la especie. Las células se reproducen por un proceso de división celular, simple en el caso de los procariotas (bipartición) y algo más compleja en los eucariotas (mitosis). Los organismos también se reproducen según dos modalidades: Asexual. A partir de un grupo de células, incluso de una sola, se genera un nuevo individuo. Primero se producen sucesivas divisiones celulares y luego una diferenciación de las células resultantes en tejidos, órganos y aparatos, Ejemplos son la reproducción de los pólipos o los esquejes de las plantas. Sexual. Requiere la formación de unas células especiales denominadas gametos y formadas normalmente por una división especial denominada meiosis. Estos gametos se fusionan en la fecundación para originar un cigoto o célula huevo. El cigoto sufrirá sucesivas divisiones por mitosis para originar el nuevo individuo.

Mitosis Cuando una célula eucariota se divide tienen lugar dos procesos: la división nuclear o reparto de cromosomas, que se denomina cariocinesis y la división o reparto de citoplasma, denominada citocinesis.

Meiosis Todas las especies poseen un número constante de cromosomas denominado número diploide (2n), en nuestro caso 2n = 46. Este número se mantiene de generación en generación por lo cual las células que originan los gametos han de dividirse por un mecanismo especial llamado meiosis que reduce a la mitad el número de cromosomas. De este modo, tras la fecundación se restablece el número de la especie. La meiosis consta de dos mitosis, la primera de las cuales es algo especial dado que en ella tienen lugar fenómenos importantes que repercutirán en la variabilidad genética de la especie y por tanto en su posibilidad de evolución. Se trata del sobrecruzamiento o intercambio de genes entre los cromosomas homólogos (los que forman una pareja y que derivan uno del padre y otro de la madre). Los puntos en los que se produce el intercambio se llaman quiasmas.

Actividad: Pon nombre a cada una de las fases y redacta los acontecimientos que están teniendo lugar en cada dibujo.

Ciclos biológicos Se diferencian según el momento en que tienen lugar la meiosis y la reproducción sexual, haciendo que el organismo sea diplonte, haplonte o haplo-diplonte. Ciclo haplonte. El individuo es haploide todo el tiempo excepto en la fase de cigoto, es decir, la meiosis se produce inmediatamente después de la formación del cigoto. Ciclo diplonte. El individuo es diploide todo el ciclo excepto cuando forma gametos. La meiosis tiene lugar en el proceso de formación de estos. Ciclo haplo-diplonte. Se combinan ambos, de modo que hay dos individuos, uno diploide que origina por meiosis esporas haploides, y uno haploide que origina gametos. Estos tras la fecundación vuelven a formar el adulto diploide.

Bibliografía Alfonso Cervel, F. y colab. Biología y Geología. Proyecto Tesela. Ed. Oxford Educación. 2008. Para saber más sobre biomoléculas http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/i ndex.htm Para saber más sobre la célula http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/1bachillerato/organiza cion_sv/contenidos1.htm