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FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS DE LA UNIVERSIDAD DE CUENCA Dr. Arturo Quizhpe P. DECANO

Dr. Sergio Guevara P. SUBDECANO

Dr. Jaime Abad Vázquez DIRECTOR ESCUELA DE MEDICINA

Documento elaborado por la Escuela de Medicina de la Facultad de Ciencias Médicas de la Universidad de Cuenca para el Curso Propedéutico año lectivo 2010 - 2011. Diseño y Diagramación: El Gato Impresión: Editores del Austro Cuenca, Mayo 2010 2

PERFIL PROFESIONAL DEL GRADUADO DE MEDICINA Un médico general con bases científica, técnica, ética y humanista sólidas, que le permita un desempeño profesional para actuar crítica y creativamente, de manera individual y en equipos multidisciplinarios, en los procesos de salud y enfermedad de las personas, familias, comunidad y medio ambiente, brindar atención integral, con un enfoque bio-psico-social y de administración en salud, con calidad. 3

BIOLOGÍA DRA. DENISE SOLIZ CARRIÓN

TEMAS 1. Biología, concepto, importancia. División de la Biología. l Características de los seres vivos. l Diferencias entre seres vivos e iner tes. 2. Clasificación de los seres vivos, reinos biológicos. 3. Descripción general de: l Virus. l Bacterias. l Protozoarios. l Hongos. l Vegetales. l Animales. 4. Componentes celulares: inorgánicos. 5. Compuestos orgánicos: l Hidratos de carbono: monosacáridos y polisacáridos de importancia, funciones. l Grasas: clases, fosfolípidos de membrana, funciones. l Proteínas: aminoácidos, polipéptidos. l Enzimas. l Ácidos nucleicos: clases y estructura. 6. Célula: definición, características (tamaño, forma), estructura. 7. Membrana celular: estructura y funciones. 8. Transporte a través de la membrana: difusión simple: ósmosis y diálisis, transporte activo: l Estados de la materia. l Membranas permeables, impermeables y semipermeables. l Clases de soluciones: hipotónicas, isotónicas e hipertónicas.

l l

Difusión: ósmosis y diálisis. Características del transporte activo.

9. El citoplasma: composición, estado físico, propiedades, elementos, organelos intra-citoplasmáticos inclusiones. 10. Retículo endoplasmático: estructura y funciones. 11. Aparato de Golgi: estructura y funciones. 12. Lisosomas estructura y funciones. 13. Mitocondrias: estructura y funciones (la respiración intracelular). 14. Plastos: clases: Cloroplastos estructura y funciones. 15. Citoesqueleto: componentes: microtúbulos, microfilamentos, filamentos intermedios. 16. Los centríolos: estructura y funciones. 17. Organelos de movimiento: cilios, flagelos, cirros. Membrana ondulante y pseudópodos. 18. Núcleo: origen, estructura, importancia, características (número, forma, posición), envoltura, jugo nuclear, nucleolo. 19. Cromosomas: estructura, forma, clasificación. 20. ADN, ARN: estructura química, propiedades funcionales, el dogma central de la Biología Molecular. 21. División celular: simple. 22. Mitosis. 5

BIOLOGÍA DEFINICIÓN: del griego bios = vida y logos = tratado; es la ciencia de la vida. Hace falta sin embargo definir a su vez cada término.

CIENCIA: los conocimientos científicos se caracterizan por ser verificables y se hallan sujetos a revisión. La ciencia se ha ido construyendo a través de procedimientos ordenados que incluyen: n

OBSERVACIÓN: conocer la naturaleza sin interferir en el fenómeno que se analiza.

n

EXPERIMENTACIÓN: el estudio de los fenómenos pero bajo las condiciones que impone el científico.

Algunas características que la ciencia posee: Parte de los hechos. Analiza y busca conocer los elementos y a través de ellos ir a la totalidad. l Es clara y precisa. l Es comunicable. l Verificable. l General. l Utiliza un lenguaje científico. l Sistemática, ordenada. l Es explicativa. l Es predictiva. l Es abier ta. l Es útil. l l

VIDA: la definición del diccionario indica que es la cualidad que distingue a un ser vital y funcional 6

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

de un cuerpo muerto, entonces se la puede precisar a través de las características que los seres vivos poseemos, es decir un conjunto de propiedades que determinan que exista la vida: n

ORGANIZACIÓN ESPECÍFICA: todos los seres vivos están formados por células como unidades, a su vez éstas tendrán otros niveles de organización menores como organelos subcelulares y finalmente de compuestos químicos. Las células pueden organizarse para formar tejidos, los cuales integrarán órganos y la reunión de ellos los aparatos o sistemas y finalmente los organismos complejos. Pueden sin embargo existir organismos formados por una sola célula como bacterias o protozoarios.

Toda la vida se basa en la química, la cualidad de la vida surge en el nivel celular y de allí en adelante van surgiendo niveles cada vez más altos: 1. Átomo y partícula subatómica. 2. Molécula: combinación de elementos. 3. Organelo: estructura dentro de una célula que desempeña una función específica. 4. Célula: unidad más pequeña de la vida 5. Órgano: estructura compuesta por varios tejidos que tienen unidad funcional.

6. Sistema: dos o más órganos integrados para cumplir una función.

n

HOMEOSTASIS: es el estado de equilibrio interno, o mantenimiento constante de las condiciones internas del organismo o de sus células. Para garantizar este equilibrio las células utilizan varios mecanismos de control, por ejemplo si baja la temperatura en un ser humano el organismo desencadena una constricción de vasos, disminución del sudor para evitar la pérdida de calor, lo contrario ocurre si la temperatura se incrementa a mas de 37ºC; otras constantes son el pH, la concentración de electrolitos como Na, K, etc.

n

CRECIMIENTO: es el incremento de la materia viva en el organismo, ocurre por dos mecanismos:

l

Aumento en el número de células. Aumento en el tamaño de las mismas.

7. Organismo multicelular: ser vivo individual, formado por una multiplicidad de células. 8. Especie: organismos con similares características, que pueden reproducirse y tener descendencia fértil. 9. Población: miembros de una especie que habitan una misma área. 10. Comunidad: dos o más poblaciones de diferentes especies que viven e interactúan en un área. 11. Ecosistema: comunidad con su ambiente inanimado. 12. Biosfera: parte de la tierra habitada por los seres vivos, incluye seres vivos y materia inanimada. n

METABOLISMO: es el conjunto de todas las reacciones químicas esenciales, cada una de las cuales es mediada por una enzima que tiene como finalidad acelerar las reacciones. Existen dos fases:

l

Anabolismo: fase de síntesis o construcción, conjunto de reacciones para la formación de nueva materia orgánica propia, incluye una serie de pasos para la elaboración de sus propios compuestos, por ejemplo síntesis de proteínas.

l

Catabolismo: fase de degradación para la obtención de la energía, por ejemplo la utilización de la glucosa para generar energía y de ésta para producir un trabajo.

l

n

MOVIMIENTO: no solo de aquellos grandes desplazamientos que pueden ser fácilmente visibles como caminar o saltar sino aquel que las propias células lo pueden hacer y aún dentro de ellas el desplazamiento de los materiales o compuestos químicos que se movilizan, en todos los seres vivos. Algunos organismos poseen órganos o aparatos especializados para el efecto en los unicelulares por ejemplo cilios o flagelos, tejidos como el muscular en los pluricelulares.

n

IRRITABILIDAD: la capacidad de reaccionar ante ciertos estímulos (cambio en su ambiente sea interno o externo).

n

REPRODUCCIÓN: condición imprescindible para la continuidad de la vida, hoy que ha que-

7

dado desechada la teoría de la "generación espontánea" sabemos que todo ser vivo proviene de otro de similares características. La reproducción puede ser sexual o asexual (directa o mitosis).

2. Reino l Eukaria se divide en 4 reinos: Protista, Fungi, Animalia, Plantae 3. Filo 4. Clase

n

ADAPTACIÓN: capacidades desarrolladas para sobrevivir en un ambiente dado. Es un término más referido a las especies que a los organismos en particular, las características que incrementan la capacidad para sobrevivir a un medio cambiante y muchas veces hostil, toman periodos muy grandes de tiempo.

Como conclusión, lo que diferencia a los seres vivos de lo inanimado o inerte: l

Poseen estructura interna compleja y están formados por macromoléculas.

l

Extraen, transforman y usan energía que la toman de su medio ambiente en forma de energía solar o nutrientes.

l

Poseen capacidad de autorreplicación.

SISTEMATIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS La taxonomía (taxis = ordenar) es la ciencia encargada de nominar y clasificar a los seres vivos, en base a 8 categorías que son: 1. Dominio l Bacteria l Archaea l Eukaria 8

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

5. Orden 6. Familia 7. Género 8. Especie El nombre de un organismo se forma de las dos últimas categorías, por ejemplo el ser humano: Homo sapiens.

SISTEMATIZACIÓN POR LOS REINOS BIOLÓGICOS (WHITTAKER): a. MONERA: formado por bacterias procariotas. b. PROTISTA: son los eucariotas unicelulares, ejemplo protozoarios y algas unicelulares. c. FUNGI: los hongos, eucariotas, toman alimento por absorción, se reproducen por esporas, no realizan fotosíntesis por carecer de clorofila. d.VEGETAL O PLANTAE: pluricelulares, eucariotas, poseen clorofila, realizan fotosíntesis, son autótrofos. Sus células poseen pared de celulosa. e. ANIMALIA: los animales son heterótrofos, eucariotas, pluricelulares, obtienen su alimento devorando a otros organismos.

El sistema de clasificación es el de 5 reinos por Whittaker ha sido superado por el que presentamos aquí, realizado por Woese, la diferencia fundamental radica en que el reino monera que contenía a todas las bacterias (procariotas) en realidad son dos tipos: l

Eubacterias (bacterias).

l

Archae bacteria.

Las clasificaciones, ubicaciones de los seres vivos, están cambiando constantemente y esto debido a que con las modernas técnicas, estudios del ADN nuclear, mitocondrial o cloroplástico, se van estableciendo diferencias, relaciones de parentesco o separación entre las especies. Se estima que hasta la fecha existen alrededor de 1.4 millones de especies nominadas, sin embargo se supone que son muchas más, se han propuesto valores entre 10 y 100 millones. Esta gama total de especies se denomina "biodiversidad".

"La pérdida de especies es la imprudencia que es menos probable que nuestros descendientes quieran perdonarnos". E.O. Wilson (Harvard University).

la luz solar y elementos simples como el CO2 y agua pueden por fotosíntesis elaborar compuestos orgánicos como almidones. b. Consumidores toman lo elaborado. c. Desintegradores descomponen o degradan desechos, organismos muertos. Los dos últimos se denominan también heterótrofos porque toman substancias producidas por los autótrofos.

n

POR SU ESTRUCTURA:

a. Procariotas: pro = antes, carion = núcleo; son organismos como las bacterias que carecen de membrana nuclear, su núcleo no está bien definido y el cromosoma bacteriano se halla en contacto con los otros componentes celulares (Figura 1).

ADN

mesosomas

flagelo

Otros sistemas incluyen: n

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A SU RELACIÓN CON LA ALIMENTACIÓN:

fimbrias pared celular ribosomas membrana interna inclusiones

a. Productores o autótrofos producen su propio alimento a partir de materia prima simple, por ejemplo las plantas que utilizando la energía de

Organismo procariota 9

b. Eucariotas: eu = bien o bueno, carion = núcleo, organismos cuyas células poseen núcleos bien definidos, separados del citoplasma por la envoltura nuclear (Figura 2). NOTA: por definición se exceptúan los virus y priones, pues requieren de otro ser vivo para poder adquirir las características descritas, no poseen vida libre propia y más bien tienden a cristalizar, entonces estarían en el límite entre lo vivo y lo inerte.

centríolos mitocondrias

lisosomas

membrana nuclear

vacuolas

membrana

cromatina poro

retículo endoplasmático rugoso

A. de Golgi

fibras intermedias

microfilamentos retículo endoplasmático liso ribosomas

microtúbulos

Célula eucariota

PREGUNTAS DE REPASO ACTIVIDADES: 1. Señale con V (verdadero) o F (falso). Encuentre las semejanzas y diferencias entre materia viva e inerte. l Indique su opinión sobre la neutralidad de la ciencia. l Ponga un ejemplo de cómo emplearía el método científico en la resolución de un problema cotidiano. l Realice un ejemplo de un sistema donde existan seres productores, consumidores y degradadores. l Investiga las diferencias evolutivas entre eubacterias y arquebacterias. l

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BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

l

Adaptación: es mantener las condiciones del medio interno constantes.

l

Metabolismo es la suma de reacciones químicas.

l

Observación y experimentación son sinónimos.

l

La ciencia es infalible.

l

Los seres vivos deben ser siempre pluricelulares.

2. Señale la afirmación correcta: Las células eucariotas son más simples que las procariotas. Heterótrofo significa que se autoalimenta. La teoría científica es una suposición. Los virus no están formados por células.

VIRUS Virus = veneno. Son los agentes responsables de un gran número de enfermedades, desde benignas hasta muy graves, afectando a todos los seres multicelulares. Los organismos unicelulares también son afectados por virus llamados fagos. Todos los virus dependen del huésped para cumplir su ciclo de vida. Fuera del huésped el virus es una partícula inerte o Virión. Virus es un término genérico que designa a la vez las formas extracelulares e intracelulares de estos organismos. La multiplicación de los virus sólo es posible dentro de células vivas, de las cuales usan los componentes. Se los califica entonces a menudo como parásitos intracelulares obligatorios o como "información genética parásita".

3. Enumere los niveles de organización de la materia y los seres vivos. 4. ¿Cómo definiría a la Biología?

Los virus son entidades biológicas subcelulares, sub-microscópicas, compuestas de ácido nucleico (ADN o ARN) y de proteínas. Su material genético se puede replicar dentro de células vivas y son capaces de transmitirse de célula a célula, es decir, son infecciosos. ¿Se pueden considerar a los virus como organismos vivientes? La respuesta a esta pregunta depende de nuestra concepción de la vida, lo que nos pone a interrogarnos sobre los atributos que le conferimos. l

Los virus no respiran, no se mueven, son incapaces de crecer o de dividirse.

l

Los virus fuera de una célula incluso cristalizan.

l

Sin embargo, se reproducen por replicación de su ácido nucleico (criterio de multiplicación) y pueden adaptarse a nuevos huéspedes (criterio de evolución). 11

Por tanto, si se les aplica los criterios de las propiedades de la vida, los virus no son vivos. Pero por poseer algunas de ellas se los considera en el límite, podemos concluir que los virus poseen material o información genética para codificar sus proteínas, pero carecen de la maquinaria para desarrollar este programa genético. Los virus constituyen un grupo único de agentes infecciosos de estructura subcelular, que se distinguen de otros microorganismos por las siguientes características: a) su tamaño reducido (20-300 nm), les permite atravesar los filtros; b) son parásitos intracelulares estrictos; c) presentan un tropismo celular específico, o sea solo infecta a cierto tipo de células y de especies particulares;

En los virus llamados «virus envueltos», poseen además una envoltura fosfolipídica y proteica que rodea la nucleocápside, similar en estructura a la de la membrana celular.

MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA Ácido nucleico. El ácido nucleico es el soporte de la información genética, de la capacidad de replicación. Un virus determinado puede contener DNA o RNA, pero nunca los dos, lo que ha permitido dividir los virus en dos grandes grupos: ribovirus y desoxirribovirus. El ácido nucleico de los virus puede ser, a su vez, monocatenario o bicatenario, y se han descrito muchos tipos diferentes, entre los que se encuentran moléculas lineales de DNA, moléculas de DNA circular, RNA segmentado o RNA monocatenario.

d) Los viriones están constituidos de dos componentes esenciales, por lo menos: l

Una o varias moléculas de ácido nucleico: ADN o ARN, con o sin proteínas asociadas (proteínas básicas que estabilizan el genoma gracias a interacciones no específicas).

l

Una cápside proteica, "cascarón" de proteínas que rodea íntimamente las moléculas de ácido nucleico.

El conjunto (ácido nucleico + proteínas) se llama nucleocápside. Los virus desnudos sólo poseen estos dos tipos de componentes. Virus de ADN (papilovirus humano) HPV 12

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Cápside. El cápside, estructura proteica que rodea el genoma y lo protege del entorno, se halla compuesto por la asociación de unidades estructurales o capsómeros que se agrupan siguiendo un plan simétrico. La simetría puede ser: l

Simetría cúbica. El ácido nucleico se halla rodeado de un cápside cuyos capsómeros se agrupan constituyendo un icosaedro, poliedro de 20 caras triangulares,

l

Simetría helicoidal. Se ha descrito sólo en los ribovirus, en los que los capsómeros del cápside se hallan directamente asociados al ácido nucleico, dando lugar a la formación de un cilindro.

Envoltura. La envoltura vírica deriva generalmente de la membrana celular y, con menor frecuencia, de la membrana nuclear de la célula infectada, siendo por tanto fosfolipídica. La membrana se diferencia por el tipo de proteínas, debido a que el virus obliga a la célula sintetizar sus proteínas e incorporarlas a la membrana, gracias a esto cuando el virus brota, lleva su membrana.

bicapa lipídica

l

Simetría compleja. No se adapta a los patrones descritos y no existe una simetría definida.

l

Conclusión. Cualquiera que sea el tipo de simetría utilizado, la organización estructural de las cápsides tiene como consecuencia conferir una gran estabilidad química y una fuerte solidez mecánica a las partículas virales. El material genético es así particularmente bien protegido y las propiedades de la cápside explican la resistencia prolongada de los virus desnudos fuera de las células-blanco.

gp120 nucleocápside p6/p7

gp41

ARN

p17-matriz

integrasa

transcriptasa inversa p24-cápside proteasa

Virus envuelto: Inmunodeficiencia humana VIH

Proteínas. Cada virus codifica su propia colección de proteínas, cada una cumpliendo uno o varios papeles específicos que permiten o incrementan la replicación viral:

Simetría viral

l

Ciertas proteínas virales son componentes de la cápside, como se mencionó;

l

Otras actúan como enzimas de reacciones químicas para la multiplicación del virus; 13

l

Ciertas proteínas virales pueden cumplir los dos: participan en la formación de la cápside o se comportan como enzimas. cápside proteica

Mecanismo de replicación. Los virus dependen para su multiplicación de la célula huésped, que les suministra no sólo las sustancias básicas, sino también la energía y la mayoría de los sistemas enzimáticos necesarios para la síntesis de sus propios constituyentes. Así, los virus no se multiplican por división directa, sino por un mecanismo de replicación. En el proceso de replicación se pueden diferenciar cuatro fases: l

Infección. Ingreso del virus a la célula que infecta.

l

Síntesis. De sus propios constituyentes estructurales y las copias de su ácido nucleico.

l

Maduración. Engloba lo anterior por los cápsides para dar lugar a la formación del nucleocápside.

l

Liberación. Finalmente, la salida de las partículas víricas ya formadas: lo puede hacer rompiendo la célula (lisis) o brotando a través de su membrana.

ADN

VIRUS ANIMAL

RETROVIRUS

cápside proteica ADN

ADN

Ejemplos de virus

Fenómeno de persistencia. En condiciones normales, la gran mayoría de las infecciones víricas tienen un curso agudo y autolimitado, y los virus son erradicados del organismo por los sistemas específicos e inespecíficos de defensa, sin que, por tanto, exista un estado de portador. Sin embargo, determinados tipos de virus pueden persistir en el huésped durante largo tiempo, en forma demostrable u oculta.

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BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

El caso del virus del SIDA, el HIV (virus de la inmunodeficiencia humana) es un ejemplo de virus lento, debido a que el período de incubación previo a las manifestaciones clínicas es muy prolongado y se mide en meses o incluso años, sin existir manifestaciones clínicas durante este largo período.

PRIONES Son "agentes infecciosos no convencionales". En el estado actual de las investigaciones, está claro que una proteína, la Prp, es responsable de causar las enfermedades humanas tales como el kuru -enfermedad mortal, degenerativa del sistema nervioso central- el insomnio fatal familiar y la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob y otras animales como la de "las vacas locas." La Prp es una proteína celular que se encuentra normalmente en los tejidos nerviosos, pero en su proceso de plegado, por alguna razón cambian y es esa forma alterada el prion infeccioso, a su vez inducen a las demás proteínas normales a cambiar su forma a la de prion. La razón de tal cambio se desconoce hasta la actualidad.

3. Maquinaria biológica para cumplir el programa genético (reproducción y metabolismo).

Los priones se transmiten y además pueden heredarse. Arquebacterias

BACTERIAS Las bacterias son microrganismos que presentan la estructura de la célula procariota (del griego: pro: primitivo, y karion: núcleo) y pertenecen al reino Monera en la clasificación por reinos, u ocupa los dominios de eubacterias y arqueobacterias en la actual clasificación, comprende los microrganismos dotados de individualidad y con estructura y organización celulares elementales. Como células y seres vivos cumplen con todos los requisitos: 1. Programa genético para su reproducción y metabolismo. 2. Membrana que las limite.

Diferencias entre Eubacterias y Arqueobacterias: ARQUEOBACTERIAS

EUBACTERIAS

Crece de ARN polimerasa sencilla l Ausencia de peptidoglicano en la pared l Poco conocidas l Producen gas metano l Viven en ambientes extremos: privados de oxígeno termófilas (45 a 110ºC) pH

l

Posee

l

Posee

l

Son las más conocidas

l

15

4 1

2

9

1. 2. 3. 4. 5.

5

3

Flagelo Cilios Cápsula bacterial Pared celular Membrana celular

10 8

6 7

6. Plásmido DNA 7. Gránulos 8. Ribosomas 9. ARNm 10. Nueva proteína

Algunos componentes estructurales de la Eubacteria

MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA Las bacterias son las células vivas conocidas más pequeñas; su tamaño oscila entre 0,1 y 10 um. los elementos de la estructura bacteriana se dividen en: elementos obligados, indispensables para la vida celular, que comprenden el nucleoide, el citoplasma, los ribosomas, la membrana citoplasmática y la pared, y elementos facultativos, que incluyen la cápsula, los flagelos, fimbrias entre otros. Nucleoide. Las bacterias no poseen un verdadero núcleo, sino un nucleoide, carecen de envoltura limitante, tienen un solo cromosoma, constituido por una larga molécula de DNA desnudo. Además del cromosoma, puede poseer "plásmidos" moléculas de ADN circular, que contiene genes que le podrían conceder a las bacterias algunas propiedades como la resistencia a ciertos antibióticos.

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BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Citoplasma y membrana citoplasmática. El citoplasma bacteriano es un sistema coloidal formado por agua (85%). Contiene organelos como los ribosomas que son más pequeños que los de las células eucariotas, y las inclusiones, elementos sin estructura uniforme, que sir ven como mecanismo de regulación o almacenamiento de sustancias de reser va. Las bacterias carecen de sistema de endomembranas y mitocondrias. La membrana citoplasmática de las bacterias, a pesar de ser similar a la de la célula eucariota, carece de colesterol y se halla rodeada de una pared celular rígida característica y única de la célula procariota. Pared celular. La pared celular es la envoltura más externa, las protege de los agentes externos. Es una estructura extraordinariamente resistente, además es rígida, siendo por tanto, responsable de la morfología bacteriana. Está constituida por peptidoglicanos. Reproducción. Las bacterias se dividen mediante un fenómeno de fisión binaria transversal, de forma que una célula madre se divide en dos células hijas y pueden progresar en los medios de cultivo, con frecuencia, con extraordinaria rapidez. Así, muchas bacterias pueden presentar, en condiciones ideales, un tiempo de duplicación de 20 minutos. Acción patógena. En general, se designa como patógeno a cualquier microorganismo que posee la capacidad de producir enfermedad. Sin embar-

go, no todos los agentes patógenos poseen la misma capacidad de lesión. La virulencia proporciona una expresión cuantitativa del poder patógeno o de la posibilidad de causar enfermedad. Existen bacterias que pueden causar enfermedad a plantas, animales y seres humanos, además de la acción directa por la infección existen otros mecanismos como la secreción de toxinas, que pueden incluso llevar a la muerte.

Importancia. Son muy abundantes en el suelo donde pueden cumplir funciones de descomposición y contribuyen a la recirculación de los elementos nutritivos para otras especies. Existen especies que realizan fotosíntesis es decir son productores. Por la forma las bacterias se clasifican en cocos, de forma redondeada, bacilos alargada, espirilos espirales, entre otras. Entre los más comunes tenemos:

Estafilococos: en racimos

Estreptococos: en cadenas

Micrococos: grupos de 4 (tétradas)

Diplococos: en pares

Bacilos

Cocobacilos

Clases de bacteias por la forma 17

PROTISTA

MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA

El reino protista está constituido por unicelulares eucariotas, sus integrantes son muy diversos y se clasifican en base a sus características de semejanza con hongos, plantas y animales: l

Mohos acuáticos y deslizantes: heterótrofos.

l

Algas: son autótrofos fotosintéticos.

l

Protozoarios.

Por su importancia en el campo de la medicina, describiremos los protozoarios.

peristoma

macronúcleo micronúcleo vacuolas digestivas vacuola pulsátil

Paramecium 18

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

El tamaño de los protozoos oscila entre 2 µ y más de 100 µ. Consisten en un núcleo verdadero rodeado de una membrana y en el citoplasma. El citoplasma está dividido a menudo en un endoplasma interno y en un fino ectoplasma externo. El endoplasma granular se encarga de la nutrición y a menudo contiene reservas alimentarias, vacuolas contráctiles y material particulado no digerido. El ectoplasma contiene organelas especializadas para la locomoción: como cilios o flagelos y otros se mueven por emisión de seudópodos, la forma, el tamaño y la distribución de estas estructuras son útiles para distinguir una especie protozoaria de otra, por ejemplo: ciliados, flagelados y rizópodos (seudópodos).

Fisiología y reproducción. La mayoría de los protozoos parásitos son anaerobios facultativos, heterótrofos y requieren asimilar nutrientes orgánicos. Esta asimilación se lleva a cabo englobando materia soluble, en las vacuolas digestivas, procesos denominados pinocitosis y fagocitosis, respectivamente. Muchos protozoos, cuando se hallan expuestos a un medio ambiente hostil, enlentecen su metabolismo y segregan una pared quística capaz de proteger el microorganismo. De esta forma, el parásito está mejor preparado para sobrevivir durante el paso de un huésped a otro a través del medio ambiente. La reproducción se consigue sobre todo por fisión binaria simple y por conjugación.

2. Parásitos con huéspedes intermediarios. Algunos protozoos y muchos helmintos requieren dos especies de huéspedes o más en su ciclo vital. La especie en la cual el parásito se reproduce sexualmente suele denominarse huésped definitivo, mientras que la especie en la que se lleva a cabo la reproducción asexual o el desarrollo de la larva se denomina huésped intermediario.

vacuola

citoplasma

núcleo

mitocondrias ribosomas

Protozoario rizópodo (Ameba)

CICLOS BIOLÓGICOS 1. Parásitos con un único huésped. Muchos parásitos requieren sólo una especie como huésped para completar sus ciclos vitales. Formas de transmisión: l

l

Transmisión por contacto directo de una persona a otra, por contacto sexual, por las secreciones bucales, transmisión maternofilial. Transmisión fecal-oral: algunos protozoos parásitos (y también de vida libre) como ameba, residen en el intestino humano y generan formas quísticas; éstas son eliminadas por las heces y son resistentes a las condiciones ambientales gracias a su cubierta, por lo que constituyen la forma infectante de estos protozoos. Como resultado de ello, este parásito no puede ser transmitido de forma directa.

Acción patógena por protozoos y otros microorganismos. La acción patógena de los parásitos, al igual que la de los restantes microorganismos, depende de factores propios del parásito y del huésped, que condicionan su capacidad de penetración, desarrollo e invasión del organismo, con interferencia de los mecanismos naturales de defensa; y, en último término, de su capacidad para lesionar las células y los tejidos. l

Lesión mecánica. Determinados parásitos pueden provocar, en virtud de su tamaño, obstrucciones, compresiones u otras acciones mecánicas donde se localicen.

l

Lesión traumática. Lesiones directas.

l

Lesión expoliadora. Compiten con las células del organismo por los nutrientes.

l

Lesión tóxica. Es la producida por sustancias de secreción o toxinas de los parásitos.

l

Lesión citopatógena. Destrucción celular cuando el parásito se localiza dentro de la célula.

Infecciones secundarias. Las lesiones causadas en los tejidos por los parásitos durante su penetración o migración facilitan el desarrollo de procesos infecciosos por bacterias u otros microorganismos. 19

HONGOS Los hongos son organismos eucariotas, por tanto poseen núcleo bien definido, organelos con membranas como las mitocondrias, sistemas de endomembranas; carecen de clorofila y no realizan fotosíntesis y son heterótrofos; se reproducen sexual y asexualmente y sus estructuras están rodeadas por una pared celular compuesta de polisacáridos y forman un único reino: Fungi.

MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA La mayoría de los hongos están compuestos de una larga hilera de células denominada hifa, estas hifas forman agregados (tejidos) llamados micelio, entonces el cuerpo de los hongos se denomina micelio. El micelio vegetativo es la parte del hongo destinada a cumplir funciones de nutrición y crecimiento. El micelio de fructificación es la porción especializada para su reproducción.

La forma y tamaño de los hongos es muy variable, pueden ser unicelulares o pluricelulares. Una de las características fundamentales es que previamente a la absorción de sus alimentos secretan enzimas y así, previamente digeridos y como pequeñas moléculas absorben los alimentos a través de sus paredes y membranas celulares. De las cerca de 100.000 especies de hongos existentes en la naturaleza, no llegan a 100 las que han demostrado su capacidad de producir enfermedades en el ser humano. Este grupo se halla compuesto por hongos que basan su acción patógena en su capacidad para crecer sobre estructuras queratinizadas (micosis superficiales), tejidos cutáneo y subcutáneo o más profundamente (micosis sistémicas). Existen hongos que resultan importantes desde el punto de vista ecológico y que actúan como degradadores, otros tienen importancia comercial en la preparación de bebidas, alimentos (levaduras) otros tienen su aplicación en medicina, pues a partir de ellos se obtienen antibióticos como la penicilina.

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BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

esporangios

hifas

Mucor: hongo de aspecto algodonoso, que después se ennegrece y que aparece sobre pan húmedo.

En el interior, el protoplasma o citoplasma está interrumpido en intervalos regulares por paredes transversales denominadas tabiques, los tabiques pueden ser parciales, completos o perforados. Generalmente existe una conexión entre células adyacentes, ya que los tabiques poseen poros que permiten el paso de organelas celulares.

ciones. Se conocen dos tipos de reproducción: sexual y asexual. La mayoría de los hongos presentan las dos formas. La forma asexual es más importante para la propagación de la especie, pues se realiza varias veces al año, mientras que la fase sexual se produce exclusivamente con una periodicidad anual. Los hongos imperfectos sólo se reproducen asexualmente, mientras que los hongos perfectos tienen capacidad sexual y asexual de reproducción.

A

1

3

2

4

B

1

3

2

Las formas más comunes de reproducción asexual son las siguientes: l

Fragmentación del micelio. Cada fragmento se transforma en un nuevo individuo.

l

Fisión o escisión. La célula madre se divide en dos células hijas, por constricción y formación de la pared celular.

l

Gemación. En la célula madre se forma una pequeña yema y el núcleo se divide, migrando uno de ellos hacia la yema. Posteriormente la yema aumenta de tamaño y se separa de la célula progenitora, formando un nuevo individuo.

l

Producción de esporas. Es el método más común. Cuando la espora germina, emite un tubo germinal que crece hasta formar el micelio.

4

TIPOS DE HONGOS A. 1. hifa no septada; 2. hifa septada; 3. levaduras B. Reproducción sexual: 1. fragmentación; 2. fisión o escisión; 3. gemación; 4. diversos tipos de esporas.

Fisiología y reproducción. Son organismos aerobios y al carecer de clorofila, deben tomar del exterior los elementos necesarios para su nutrición. En condiciones favorables, las hifas pueden mantener un crecimiento indefinido por su extremo apical, presentando la colonia una tendencia a crecer uniformemente en todas direc-

La reproducción sexual se lleva a cabo mediante la unión de dos núcleos compatibles y presenta tres fases sucesivas: l

Unión de los dos citoplasmas.

l

Unión de los dos núcleos.

l

Meiosis: división de los núcleos diploides para transformarse en haploides. 21

Algunas especies de hongos producen órganos sexuales masculinos y femeninos sobre el mismo talo, es decir, son hermafroditas, mientras que en otras especies, los órganos sexuales femeninos y masculinos se hallan en diferentes talos. Acción patógena. Existen hongos que causan enfermedades a plantas, otros a animales y al ser humano, a este último lo pueden afectar por diversos mecanismos: a) Envenenamiento tras la ingesta. b) Micotoxicosis, que se produce tras la ingesta de alimentos contaminados por ciertos hongos productores de toxinas. c) Hipersensibilidad a los hongos, especialmente los cuadros de tipo asmático como consecuencia de la inhalación de ciertas especies de hongos y,

2. Micosis internas. Se subdividen en: a) micosis profundas cuando afectan órganos y vísceras internas, y b) micosis subcutáneas. Generalmente los hongos crecen y se multiplican en los espacios intercelulares y causan lesión por competencia metabólica y por acción tóxica irritativa y de hipersensibilidad. El estudio de los hongos y su relación patógena con los seres humanos ha cobrado importancia en síndromes como el de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) puesto que causan graves afecciones denominadas oportunistas, debido a que las defensas de los individuos están muy alteradas.

VEGETALES

d) Micosis. Tradicionalmente en la micología médica, debido a la complejidad de la taxonomía del reino, los diferentes hongos causantes de micosis se han clasificado basándose en los cuadros clínicos que producen:

Son organismos pluricelulares eucariotas, poseen muchas similitudes con los animales, en cuanto a la estuctura celular, sin embargo también algunas diferencias: l

Son autótrofos o productores, gracias a que poseen cloroplastos, organelos transformadores de energía por el mecanismo de la fotosíntesis.

l

Están dotados de pared celular, generalmente gruesa y formada por celulosa

l

Algunos organelos e inclusiones propios de la célula vegetal: los cloroplastos, otros plastidios, glioxisomas, vacuolas, entre otros. (serán descritos posteriormente).

1. Micosis externas. Se subdividen en: a) micosis cutáneas si afectan la epidermis y sus anexos (pelo y uñas) como las tiñas y las candidiasis, y b) micosis superficiales, que afectan sólo los cabellos y las células cornificadas más externas del epitelio de la piel. 22

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

2 3

1 18 17 16 15

4

14 13 12

11

5 10 9

6

8 7

Estructura de una célula vegetal 1. Ret. endoplasmático liso 2. Citoesqueleto filamentoso 3. Vesícula membranosa 4. Ribosoma 5. Envoltura nuclear 6. Nucleolo 7 Núcleo 8. Ret. endoplasmático rugoso 9. Leucoplasto

10. Citoplasma 11. A. de Golgi 12. Pared celular 13.Perixisoma 14. Membrana plasmática 15. Mitocondria 16. Vacuola 17. Citoplasto 18. Plasmodesmos

La pared celular no es hermética, por el contrario posee una serie de perforaciones denominadas plasmodesmos a través de los cuales las células vegetales se comunican con sus células adyacentes, permitiendo además la circulación de agua y solutos que garanticen la tonicidad de la célula. Su importancia en relación a los seres humanos y otros heterótrofos radica en que este grupo de organismos son responsables del inicio en la cadena de transformación de la energía al poder aprovechar la proveniente de la luz solar y transformarla en energía química contenida en los alimentos y, en segundo lugar porque como producto de la fotosíntesis se elimina oxígeno al ambiente, lo cual determinó la existencia de la atmósfera rica en este gas y la posibilidad de la respiración en los organismos aerobios.

ANIMALES PARED CELULAR n

Funciones:

l

Determina la forma de la célula. Ofrece sostén mecánico. Brinda protección. Contribuye a mantener el balance osmótico.

l l l

n

Estructura:

Los principales componentes son: fibras de celulosa, lignina (que le confiere dureza) y otros polisacáridos. Estos se originan en el aparato reticular de Golgi.

Las principales características son: l

Pluricelulares,

l

Eucariotas,

l

Heterótrofos o consumidores, es decir obtienen energía consumiendo a otros organismos o sus productos elaborados,

l

Generalmente se reproducen de manera sexual.

A diferencia de las plantas, sus células no poseen pared celular. 23

Algunas especies de animales poseen importancia médica, sea por causar enfermedades parasitarias directas o por constituirse en vectores de otros organismos e infectar a los seres humanos, a manera de ejemplos: l

l

Los gusanos planos (platelmintos): tenias que afectan a los cerdos, ganado vacuno y seres humanos, sea la forma adulta del parásito que se aloja en el intestino o la forma larvaria (cisticerco) que puede localizarse en músculo o cerebro.

retículo endoplásmico nucleolo

núcleo

centríolo

vacuola

lisosoma ribosoma

Gusanos redondos o nematelmintos: como las lombrices.

cromatina mitocondria

A. de golgi microtúbulos

Célula animal

PREGUNTAS DE REPASO ACTIVIDADES: l

l

l l

24

Ubica a los seres humanos de acuerdo a las 8 categorías. Busca al menos 10 especies pertenecientes a los 5 reinos biológicos. Infórmate sobre biodiversidad en nuestro país. Investiga sobre especies en peligro de extinción.

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

1. ¿En que reino o dominio habría de incluir a un organismo que tiene múltiples células, todas ellas con un núcleo limitado por envoltura, que es autótrofo? a. Archaebacterias. b. Fungi. c. Vegetal. d. Animalia. e. Protista.

2. Señale el concepto correcto sobre los virus: a. Son seres vivos, de acuerdo a la teoría celular. b. Poseen un programa genético, pero carecen de recursos para aplicarlo. c. Pueden multiplicarse fuera de las células. d. Siempre son de ADN. e. Todas son correctas. f. Ninguna es correcta. 3. Señale el concepto incorrecto sobre los protozoarios: a. Son unicelulares eucariotas. b. Todos son parásitos obligados. c. Pueden tener reproducción sexual o asexual. d. Pueden haber protozoarios de un solo huésped. 4. Señale lo correcto sobre los hongos: a. Son heterótrofos. b. Pueden causar enfermedades a los seres humanos: micosis. c. Pueden tener reproducción sexual y asexual. d. Sus células forman hileras: hifas y éstas los micelios. e. Todas son correctas.

5. ¿Qué órgano emplean las bacterias para la conjugación?: a. Flagelo. b. Pilu. c. Pared. d. Espora. e. Cualquiera de ellos. 6. ¿Cual es la función de la lignina en la planta?: a. Proporciona sostén a la planta. b. Almacena alimento. c. Favorece el intercambio de gases. d. Comunica a las células. e. Ninguna de ellas. 7. Señale lo incorrecto sobre los animales: a. Son heterótrofos. b. Se reproducen por división simple. c. Son pluricelulares. d. Son eucariotas. e. Algunas especies pueden causar enfermedades a los seres humanos.

COMPONENTES QUÍMICOS DE LOS SERES VIVOS

convertirse en otra sustancia por procesos químicos.

La materia conforma tanto lo vivo como lo inerte y está formada por elementos de los cuales se conocen a la fecha 116. La unidad de la materia son los átomos de los elementos; elemento es una sustancia que no puede descomponerse ni

Sin embargo, la composición química de la materia orgánica difiere en algunos aspectos de la composición química de la materia inorgánica, sobre todo en el grado de organización, pues la materia inerte alcanza hasta el nivel de molécu25

las, en tanto que la materia viva, como vimos tiene como unidad la célula que a su vez está formada por organelas subcelulares.

Como sabemos, los elementos interactúan para formar moléculas, las cuales a su vez pueden ser: n

No todos los elementos se encuentran en los seres vivos. Ello sugiere que a lo largo del proceso de evolución de la materia que dio origen a los seres vivos, algunos elementos resultaron más adecuados para la vida que otros. De hecho, solamente 18-40 elementos (bioelementos o elementos biogenésicos) forman parte de los seres vivos, y éstos varían según las especies.

INORGÁNICAS

El agua, que forma el 75% de las células y 2 a 3% minerales. n

ORGÁNICAS

l

Carbohidratos. Lípidos. Proteínas. Ácidos Nucleicos.

l l l

Clasificación: n

PRINCIPALES

Son aquellos elementos que se encuentran de manera constante, unos en gran cantidad y otros en pequeña cantidad, su deficiencia/falta determinaría enfermedad/muerte. Constituyen casi el 99% de la materia viva y en la especie humana se encuentran en las siguientes proporciones: Oxígeno (O) Carbono (C) Hidrógeno (H) Nitrógeno (N) Calcio (Ca) Fósforo (P) Potasio (K) n

65% 18% 10% 3% 1.5% 1% 0.4%

EL AGUA oxígeno

Azufre (S) 0.3% Sodio (Na) 0.2% Cloro (Cl) 0.1% Magnesio (Mg) 0.1% Hierro (Fe) 0.005% Yodo (I) 0.0001%

8p 8n

1p

1p

O

SECUNDARIOS

Son aquellos elementos que se encuentran en la materia de manera inconstante y siempre en mínima cantidad. 26

COMPUESTOS INORGÁNICOS

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

hidrógeno

H

H

Agua (H2O) Agua

hidrógeno

Resulta de la unión de O e H y aunque su estructura es muy simple: H-OH, toda la vida depende de las propiedades de esta molécula. El agua es el constituyente principal de todos los seres vivos, entre el 60 y 90%. En el organismo humano, su cantidad varía con la edad, a menor edad hay mayor cantidad de agua y progresivamente va disminuyendo. Así: Embrión Recién nacido: Adulto:

80 a 90%; 75 %; 60 % de su peso corporal.

El agua ingresa como bebidas y también en distintos porcentajes en los alimentos (ingesta) pero también se forma en el propio organismo (agua metabólica).

l l

Tiene un elevado poder calorífico. Fuente de O2 atmosférico, mediante la fotosíntesis se produce la hidrólisis de la molécula del agua y la liberación de su O2.

MINERALES Muchos elementos se hallan ionizados por ejemplo Cl- Na+ Ca++ K+ además fosfatos, sulfatos, etc. entre las funciones que cumplen: l

l l l

Mantienen la presión osmótica y por lo tanto regulan la cantidad de agua. Regulan el equilibrio ácido – base. Función reguladora como el Ca++. Integran a compuestos como ATP o proteínas como la hemoglobina.

En el organismo el agua se encuentra distribuida en espacios (compartimientos) denominados: Intracelular: Extracelular:

40 % 20 % 60 %

Entre sus funciones: Es el medio de dispersión de otros compuestos que se hallan en solución. l Es el solvente natural. l Es el medio de dispersión en los coloides intracelulares. l Fisiología celular: todas las reacciones ocurren en un medio acuoso. l Par ticipa en reacciones y en ocasiones puede ser su resultado; por ejemplo, de las reacciones de las mitocondrias. l

COMPUESTOS ORGÁNICOS HIDRATOS DE CARBONO, GLÚCIDOS O AZÚCARES Resultan de la unión de los bioelementos: C, H, y O. Su fórmula general es: Cn(H2)nOn y su unidad estructural está representada por la Glucosa (C6H12O6). Son moléculas abundantes, constituyen aproximadamente el 1% del volumen celular. Su unidad son los monosacáridos, de la unión de ellos se formarán di, tri, oligosacáridos (oligo= corto, pequeño) y polisacáridos (poli = mucho). 27

Los monosacáridos se nominan de acuerdo al número de átomos de carbono, así de 3 una triosa, 4 tetrosa, 5 pentosa 6 hexosa, de entre ellos por su importancia destacan: l

hexosas: la glucosa, el azúcar más abundante, la galactosa presente en la leche y fructosa en el azúcar común.

l

Pentosas: ribosa y desoxirribosa presentes en los ácidos nucleicos.

glucosa

Los oligosacáridos: son cadenas cortas de monosacáridos. Los polisacáridos: grandes cadenas de monosacáridos. l

Almidón: es un polisacárido de reserva, se forma por la unión de glucosa de manera lineal, es el producto de la fotosíntesis de los vegetales, a partir del CO2 y H2O con la energía solar.

l

La celulosa: también formada por glucosa, constituye la pared de las células vegetales y el esqueleto de las plantas, es muy abundante, sin embargo como fuente de alimento solo puede ser aprovechada por los animales herbívoros, los seres humanos carecemos de enzimas para digerirla. Su importancia sin embargo radica en el hecho de que aumenta el bolo alimenticio, facilita el peristaltismo intestinal, evita el estreñimiento, entre otras.

l

El glucógeno o almidón animal, polisacárido de glucosa, se almacena como reserva de energía particularmente en las células musculares y hepáticas. Las cadenas son ramificadas.

galactosa

fructosa

Estructura molecular de algunos monsacáridos importantes

Los disacáridos se forman de la unión de dos monosacáridos con la pérdida de una molécula de agua, esto constituye un enlace glucosídico, los más importantes:

28

l

Maltosa: formada por dos glucosas.

l

Lactosa: glucosa + galactosa.

l

Sacarosa: fructosa + glucosa. BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Las funciones de los glúcidos son: l

Fuente de energía, aportan 4 kcal.

l

Estructural: están integrados a partes de la célula como las membranas y en las matrices extracelulares.

l

En los vegetales forman estructuras como la pared celular por medio de la celulosa.

l

Forman parte de la estructura de los ácidos nucleicos: en el ADN con la desoxirribosa y ribosa en el ARN.

LÍPIDOS Forman entre el 2 y 3 % del volumen celular y resultan de la unión de los bioelementos: C, H y O. La fuente de los lípidos es la alimentación de origen animal (nata, mantequilla, manteca de chancho, yema de huevo, etc.) o de origen vegetal (aceites, mantecas, margarina, aguacate, maní, cacao, etc.). En el organismo se encuentran, entre otros, formando parte del tejido celular subcutáneo y en la sangre como colesterol y triglicéridos.

formados por glicerol (que posee 3 átomos de carbono unidos a un grupo hidroxil) y tres ácidos grasos (los ácidos grasos son cadenas pares de átomos de carbono que varían en longitud corta, mediana, larga y muy larga) en su descomposición darían lugar a di y monoglicéridos. Glicerol

Ácidos Grasos

CH2OH

+

COOH – (CH2)n - CH3

CHOH

+

CH2OH

+

COOH – (CH2)n - CH3 | COOH – (CH2)n - CH3

Son moléculas orgánicas insolubles en agua, pero solubles en éter, cloroformo, etc. Sus funciones: l

Energética: constituyen otra fuente de energía alternativa que las células pueden emplear o almacenar, aportan 9 Kcal (reserva de energía).

l

Estructural: forman el esqueleto de todas las membranas biológicas.

l

Aislante: Debajo de la piel forman una capa que mantiene la temperatura corporal estable (37ºC).

l

Capa de aislamiento y protección de órganos como los riñones.

l

Precursores de hormonas esteroideas como las sexuales, de la vitamina D y sales biliares.

Clasificación:

2. COMPUESTOS: están formados por glicerol, ácidos grasos y otro grupo que puede ser: un azúcar (glucolípido), un grupo fosfato (fosfolípidos) estos últimos muy importantes porque forman la bicapa lipídica de las membrana.

cabeza hidrófila región especial fosfato

cola de ácidos grasos

cola hidrófoba

1. SIMPLES: se componen de un alcohol y ácidos grasos, por ejemplo los triglicéridos, que están Fosfolípido 29

3. DERIVADOS: son aquellos de diversa composición, se incluyen los esteroides (presentes en hormonas) carotenoides, vitaminas. El colesterol es un ejemplo importante, pues también integra las membranas con una función estabilizante.

Colesterol

la las proteínas son sintetizadas por los ribosomas, de manera específica para cada especie. Las proteínas constituyen entre el 10 y 20% de la masa celular. Las proteínas son importantes estructural y funcionalmente porque: l

Intervienen en el transporte, por ejemplo a través de la membrana, tanto hacia dentro como hacia fuera de la célula, la hemoglobina transporta los gases, etc.

l

Defensa: por ejemplo los anticuerpos o inmunoglobulinas liberadas por los linfocitos, ante la presencia de sustancias o estructuras extrañas (antígenos) generando la reacción antígeno-anticuerpo.

l

Fibrinógeno y protrombina son proteínas plasmáticas que participan en el proceso de coagulación sanguínea.

l

Albúminas: responsables de la presión oncótica de la sangre, su déficit favorece la formación de edemas.

l

Proteínas de contracción.

l

Proteínas estructurales: de membrana, citoesqueleto.

l

Protección y soporte, ejemplo la queratina de la piel.

l

Forman fibras como la colágena.

l

Hormonas, producidas por las glándulas endocrinas.

l

Enzimas por ejemplo las que se encuentran distribuidas a lo largo del aparato digestivo y con-

PROTEÍNAS Son moléculas orgánicas formadas por C,H,O y N, aunque podrían contener además otros elementos como azufre. Su estructura es compleja y las moléculas son siempre muy grandes. Ejemplo la hemoglobina (Hb). C3032H4816O872N780S8Fe4 La fuente de las proteínas son los alimentos, tanto de origen animal (carne, leche, huevos y sus derivados) como de origen vegetal (granos: fréjol, lenteja, arveja, habas, etc.). A nivel de la célu30

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

tribuyen al proceso de digestión de los alimentos, en el interior de las células, en cada organelos, como las mitocondrias y los lisosomas, intervienen en sus respectivas funciones.

en la secuencia alteran la proteína y su función puede incluso suprimirse. Los aminoácidos se encuentran unidos por enlaces peptídicos que se realizan entre un grupo carboxilo de un aminoácido y el amino del siguiente.

Las proteínas son cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Los aminoácidos poseen un C alfa particular que se une a un grupo COOH (carboxilo) y a otro amino: NH2, también un H y un grupo denominado R que es el que varía de uno a otro aminoácido (aa), 20 aminoácidos forman las proteínas. Los aminoácidos se clasifican en esenciales y no esenciales: l

l

Esenciales: aquellos que el organismo no sintetiza y por lo tanto es indispensable proveerse de ellos a través de la alimentación. Éstos son: Fenilalanina (Fen), Histidina (His), Isoleucina (Ile), Leucina (Leu), Lisina (Lis), Metionina (Met), Treonina (Tre), Triptófano (Trp), Valina (Val), Arginina (Arg), Asparagina (Asn). No esenciales: aquellos que el organismo sintetiza. Éstos son: Aspartato (Asp), Glutamato (Gln), Alanina (Ala), Cisteina (Cis), Glicina (Gli), Hidroxiprolina (Hil), Prolina (Pro), Serina (Ser), Tirosina (Tir).

Las proteínas son muy diversas y adoptan estructuras diferentes en la célula, estos niveles de organización o estructura se denominan: Primaria: es la secuencia de aminoácidos, que está determinada genéticamente por la información que el núcleo posee en su ADN, los cambios

enlace peptídico

Enlace peptídico

Secundaria: es el plegamiento en dos dimensiones de la cadena de aa, existen dos tipos: hélice alfa y hoja plegada beta. Terciaria: plegamiento en tres dimensiones, al igual que la anterior ocurre por enlaces no covalentes como puentes de disulfuro, interacción entre aa, etc. Cuaternaria: consiste en la agregación de dos o más cadenas polipeptídicas o la unión a otros grupos que se denominarán prostéticos como glúcidos o lípidos o metales.

31

a) ESTRUCTURA PRIMARIA Extremo amino

Extremo carboxilo

b) ESTRUCTURA SECUNDARIA hélice alfa (α)

hidrógeno ubicado entre aminoácidos en diferentes lugares de la cadena polipéptida

Hoja plegada

c) ESTRUCTURA TERCIARIA

β

d) ESTRUCTURA CUATERNARIA

β

β

Ejemplo hemoglobina

α Estructura de las proteínas 32

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

α

ENZIMAS Proteínas con una importante función: catalizar las reacciones del metabolismo celular. Las enzimas como catalizadores aceleran las reacciones y poseen algunas propiedades:

l

Mecanismo de acción de las enzimas: l

Las enzimas son moléculas grandes, generalmente globulosas, que de acuerdo a su disposición espacial (estructura terciaria) disponen de un sitio denominado activo que es el que debe tomar contacto con el sustrato para realizar su actividad.

l

Se establece un enlace momentáneo y se forma el complejo enzima-sustrato ES.

l

Transformación del sustrato para dar lugar a los productos de la reacción.

1. Son específicas: actúan sobre una sustancia en particular que se llama sustrato, y cada enzima solo cataliza una reacción. 2. No se consumen una vez que ha culminado la reacción; la enzima se libera para poder nuevamente unirse a otra molécula de sustrato. 3. Son eficientes, incrementan enormemente la velocidad de las reacciones (entre cien mil y diez millones de veces más rápido) además se requieren mínimas cantidades de enzimas. 4. Existen enzimas que requieren de cofactores. Factores que afectan la velocidad de la reacción enzimática: l

Las enzimas pueden aumentar la velocidad de sus reacciones si se incrementa la temperatura, pero solo hasta cierto nivel, pues superados los 50º C. las proteínas se desnaturalizan y las enzimas pierden su actividad. Las bajas temperaturas disminuyen la velocidad de reacción, pero su efecto es reversible.

l

Afecta también a las enzimas el pH del medio, pues cada enzima actúa a un pH específico.

l

La concentración de sustrato, hasta que se produzca la saturación de la enzima.

La presencia de inhibidores que disminuirán la acción.

l

Se libera la enzima sin sufrir cambios.

LOS ÁCIDOS NUCLEICOS El papel de los ácidos nucleicos es fundamental en la célula y podríamos resumirlo en dos puntos: l

Reproducción por la capacidad de generar copias fieles de sí mismo, indispensable para pasar o transmitir la información a las células u organismo hijo.

l

Funcionamiento de toda la célula, a través de la producción de proteínas.

Son dos los Ácidos Nucleicos, el Ácido Desoxirribonucleico (ADN/DNA) y el Ácido Ribonucleico (ARN/RNA). Su estructura es compleja como a continuación se detalla:

33

CARBOHIDRATOS

ADN DESOXIRRIBOSA

ARN RIBOSA

Púricas:

ADENINA (A) GUANINA (G)

ADENINA (A) GUANINA (G)

Pirimídicas:

CITOSINA (C) TIMINA (T)

CITOSINA (C) URACILO (U)

P H

P

BASES NITROGENADAS

Enlaces:

El ADN ácido desoxirribonucleico almacena y preserva la información genética y el ARN ácido ribonucleico participa en la síntesis de proteínas. Ambos son macromoléculas, polímeros de monómeros que son sus unidades: los nucleótidos.

denas son complementarias entre sí, siempre se une una T con una A y C frente a G. En esta molécula se encuentran los genes, que son segmentos de ADN que serán copiados en ARN y luego servirán para la síntesis de una proteína.

NUCLEÓTIDOS: presentan tres componentes básicos:

El ARN también es una macromolécula lineal, pero simple cadena, su función es participar en la síntesis de proteínas, existen 4 tipos básicos:

l

Azúcar, una pentosa (ribosa en el ARN o desoxirribosa en el ADN)

l

Una base nitrogenada púrica o pirimídica:

l

Los ARN mensajeros (ARNm) sintetizados en el núcleo, salen al citoplasma para ser leídos por los ribosomas y sintetizar las proteína, tienen tamaño variable y vida corta.

l

Los ARN ribosomales (ARNr), componentes de los ribosomas conjuntamente con proteínas, para formar los obreros de la síntesis de proteínas.

l

Los ARN de transferencia (ARNt) son de diferente tipo, llevan los aminoácidos hacia los ribosomas.

l

ARN pequeños nucleares y citoplasmáticos, ayudan al procesamiento del ARN.

Purinas: Adenina y Guanina. Pirimidinas Citosina y Timina en ADN y Citosina y Uracilo en ARN. l

Ácido fosfórico.

La secuencia u orden en el que están los nucleótidos constituye la información genética. El ADN es una molécula lineal, en doble cadena y enrollada sobre si misma con giro a la derecha, constituyendo una hélice muy larga. Las dos ca34

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

BASES

las bases son compuestos químicos con N (pirimidinas y purinas) adenina

citosina

purina

pirimidina

guanina

timina

FOSFATOS

NUCLEÓTIDOS

ENLACE BASE-AZÚCAR base

Normalmente los fosfatos están unidos al hidróxilo C5 de la pentosa

fosfato

enlace N glucosídico base

azúcar

azúcar

AZÚCARES

ribosa

pentosa

desoxirribosa

Estructura de los ácidos nucleicos 35

EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR "Resume la manera en la que la información genética contenida en una célula es mantenida y utilizada para la síntesis de macromoléculas que dictan el metabolismo y por ende las funciones celulares" Lorence Argelia Biología: sus bases moleculares. l

La información genética se almacena en el ADN.

l

El ADN puede copiarse a sí mismo (replicación) y formar dos moléculas idénticas.

l

l

Segmentos (genes) del ADN pueden ser copiados en ARN para salir del núcleo al citoplasma (transcripción). El ARNm puede ser leído por el ribosoma y fabricar una proteína específica (traducción).

ADN

ADN

replicación transcripción

ARN traducción proteína Dogma central de la biología molecular 36

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Para que el dogma central funcione debe existir un lenguaje, y este es el orden de los nucleótidos, con un alfabeto de 4 letras (nucleótidos) A T C G, cada palabra tiene tres letras y se llama un codón o triplete y significa una aminoácido cuando se traduzca a proteínas. Esto es el código genético que es universal para todos los seres vivos. EL GENOMA Es la dotación completa de genes existentes en los cromosomas de una especie u organismo en particular. QUÉ CONOCEMOS DEL GENOMA HUMANO Los proyectos privados y el HUGO (Proyecto genoma humano) de un consorcio de naciones, a mediados del año 2000, que terminaron la descodificación del genoma humano han dado a conocer los resultados sobre este tema, entre lo más importante, destacamos: Se secuenció (se conoce el orden de las "letras" o nucleótidos A-T-C-G) todo nuestro ADN, compuesto por 3000 millones de pares de bases. l Que muchas enfermedades humanas donde se encuentran alteradas las proteínas tienen una base genética. l La aplicación de los conocimientos sobre el genoma ayudará a conocer y posiblemente a combatir las enfermedades como el cáncer. l Que dentro del ADN además de los genes existen secuencias o partes repetitivas y cuyas funciones todavía se desconocen. l

l

Que poseemos secuencias que otras muchas especies también las tienen.

l

Que no hay superioridades entre los seres humanos y que el concepto de raza y el discrimen no tienen fundamento pues los seres humanos somos iguales en un 99%.

l

Desde 1953 con Watson y Crick y luego del 2000 se ratifica el concepto de que existen uni-

dades físicas de la herencia, los genes, tal como lo intuyera Mendel, muchos años antes. El futuro: las investigaciones avanzan para identificar todos los genes humanos, sus productos y funciones, así como de las demás especies, pues además del proyecto genoma humano los hay para plantas, insectos, mamíferos, hongos, bacterias, etc.

Proporcionan energía 4 kcal. Transmiten la información genética. Forman la capa de protección de ciertos órganos.

ACTIVIDADES: Realiza un cuadro sinóptico o un mapa conceptual con los elementos que forman un ser vivo y las funciones que posee cada uno de ellos. l Realiza un listado de términos nuevos y anota su significado, sobre todo aquellos que poseen raíces griegas o latinas. l Anota ejemplos de alimentos que contengan glúcidos, lípidos, minerales, proteínas. l Investiga 5 proteínas humanas. l Averigua que es el Proyecto Genoma Humano. l

PREGUNTAS DE REPASO 1. Anota frente a cada opción a que macromolécula corresponde:

2. Señala el concepto correcto: Los nucleótidos poseen un azúcar una base y ácido fosfórico. Las bases del ADN incluyen el U (Uracilo). El ADN está formado por una sola cadena. El ARNm lleva los aminoácidos. 3. Enumere las propiedades de las enzimas. 4. Cual de los siguientes factores acelera la reacción enzimática: l l l

a. lípido b. proteína c. azúcar d. ácido nucleico

l

Incremento moderado de temperatura. Cambio de pH. Desnaturalización de la enzima. Presencia de inhibidores.

Son los componentes básicos de la estructura de las células. 37

LA CÉLULA IMPORTANCIA La célula es la unidad morfológica y funcional del organismo, nuestro cuerpo está formado por billones de células y se desarrolla a partir de una primera que es el cigoto o huevo fecundado, que experimenta sucesivas divisiones para dar origen a los diferentes tipos de células que integran los tejidos, sin embargo en esencia todas las células tienen estructuras y funciones comunes. Constituye un nivel de organización de los seres vivos y posee composición química y actividad metabólica semejante.

1. Células de forma constante y de forma variable, por ejemplo aquellas que emiten seudópodos para desplazarse. 2. Por la forma: tres fundamentales: a. isodiamétricas, aquellas cuyas tres dimensiones son aproximadamente iguales, siendo sus formas: esféricas, elípticas, poliédricas y cúbicas. b. aplanadas predominan dos dimensiones, por ejemplo en las células de la epidermis y endotelios (revestimiento de vasos sanguíneos por ejemplo). c. alargadas, predomina el eje longitudinal, por ejemplo las células musculares y las cilíndricas.

La teoría celular postula: 1. La célula es la unidad de los seres vivos desde el punto de vista: a. Estructural, b. Fisiológico, c. De herencia y reproducción.

La célula no es una simple "bolsa de elementos", el conjunto de materia que la conforma se denomina protoplasma y se encuentra en estado coloidal, posee una alta organización por sistemas que cumplen funciones específicas y que describiremos a continuación:

2. Toda célula proviene de otra célula.

Estructura de la célula:

3. Los organismos son el resultado de la suma de las características de sus células.

1. Membrana celular.

Las células pueden variar en relación a su tamaño, sin embargo las que constituyen los seres humanos tienen dimensiones microscópicas. La forma es igualmente variable, se consideran sin embargo dos clasificaciones:

38

De otra parte, las células libres adoptan la forma esférica.

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2. Núcleo: a. Cromatina o cromosomas, b. Cariolinfa, c. Carioteca o envoltura nuclear, d. Nucleolo.

iv. Lisosomas, v. Peroxisomas, vi. Centriolos o centrosomas.

3. Citoplasma a. Organelas intracitoplasmáticas: i. Reticuloendoplasmático liso y rugoso, ii. Ribosomas, iii. Aparato de Golgi,

b. Inclusiones citoplasmáticas. c. Citosol.

Investiga sobre el tamaño de las células en animales ejemplo huevos de insectos, anfibios, aves. l Repasa los postulados de la teoría celular. l Averigua sobre los trabajos de Hooke en láminas de corcho. l

ACTIVIDADES: Grafica ejemplos de células de forma isodiamétrica, aplanada y alargada. l Realiza un gráfico de una célula y anota los elementos que posee. l

MEMBRANA CELULAR O PLASMÁTICA Es la estructura que delimita a la célula, es una estructura constante en todos los tipos celulares. l

l

en el inicio de la vida, permitió justamente el delimitar un espacio interno y por tanto de los seres vivos. permite mantener una composición diferente entre la célula y el medio que le rodea.

La membrana es sumamente delgada, está en el límite de resolución del microscopio y su estructura es posible estudiarla mediante el microscopio electrónico. No es una pared rígida o cubierta inerte, por el contrario es una estructura dinámica que garantiza la interacción selectiva entre la célula y el medio que la rodea. Todas las membranas de la célula: plasmática, sistema de endomembranas o de otras organelas como las mitocondrias, poseen una misma estructura, sin embargo su composición química va a variar de manera considerable.

39

FUNCIONES: l

Límite.

l

Intercambio de substancias entre el medio ambiente y el interior de la célula y la regulación de este intercambio.

l

Comunicación entre las células.

l

Reconocimiento celular e interacción.

l

Contacto entre las células (uniones).

l

Recepción de mensajes.

COMPOSICIÓN A partir del aislamiento de las membranas de otros elementos celulares se procede al análisis bioquímico, encontrándose que están compuestas por lípidos y proteínas, además de una frac-

ción menor de carbohidratos. Aunque todas las membranas tienen esta composición las proporciones de cada uno de ellos varían de un tipo celular a otro. La primera teoría propuesta para explicar la estructura de la membrana fue la de Davson y Danielli (1935) se habló de un modelo en triple capa, o "en sandwich" donde una bicapa lipídica se sitúa en la parte central y está revestida a ambos lados por monocapas de proteínas, esta resulta ser errónea si se la analiza desde el punto de vista funcional y también de las características estructurales y fue superado por el modelo siguiente: l

Singer y Nicholson (1972) proponen el llamado modelo del "mosaico fluido" donde la membrana está conformada de la siguiente manera: "los lípidos se disponen en una delgada lámina bi-

proteína en hélice alfa glicolípido

cadena oligosacárida lateral

proteína globular fosfolípido segmento hidrofóbico de proteína en hélice alfa

Estructura de membrana 40

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

colesterol

glucolípido proteína periférica

líquido extracelular

glucoproteína poro canal fosfolípidos cabeza polar (hidrofílica) capas lípidas

colas de ácido graso (hidrofóbicas)

citosol proteína

proteína

proteína periférica

proteínas integrales

Elementos de la membrana

una proteína que se oriente hacia el exterior no puede cambiar hacia el lado citosólico, tampoco los fosfolípidos pueden voltearse.

molecular (bicapa) mientras las proteínas integrales están insertadas en esta capa fluida, de la cual emergen hacia ambas superficies. l

Se llama por tanto mosaico, por intercalar en toda la superficie las moléculas de proteínas y fluido porque la membrana no es rígida, sino es un fluido, un líquido, aunque sea aplanada, además la membrana es asimétrica, es decir que las dos mitades no son iguales (cara interna y externa).

l

La fluidez hace referencia al hecho de que tanto los lípidos como las proteínas tienen notable libertad de movimientos laterales dentro de la membrana.

l

Los fosfolípidos y las proteínas pueden desplazarse lateralmente pero no de cara es decir

l

Los lípidos de la membrana son fosfolípidos y colesterol, forman la estructura básica de la misma.

l

Las proteínas: son componentes estructurales de la membrana, pero también funcionales, ya que participan en el transporte, como enzimas, receptores, etc. Las proteínas por su distribución dan a la membrana una notable asimetría, cada lado de la membrana dispone de cantidad y tipos variables de proteínas y cada una de ellas tiene una orientación diferente.

l

Los hidratos de carbono: los glúcidos o hidratos de carbono en general, representan menos 41

glucoproteína transmembranosa

glucoproteína periférica

?????????

glucocáliz

glucolípido

Bicapa lípida

citosol

Membrana y glucocáliz

del 10% del total de componentes de la membrana, la mayoría de ellos están unidos a lípidos (glicolípidos) o a proteínas (glucoproteinas). Y están como pequeñas cadenas. l

l

Elasticidad: permite en cierto grado el cambio constante de la forma celular "tienen la capacidad de contraerse o estirarse debido a las mayores o menores presiones que sobre ella ejerzan los elementos externos o internos. La elasticidad tiene un límite que si es sobrepasado termina con la ruptura de la membrana y la lisis celular".

l

Resistencia mecánica: capacidad de la célula de oponerse a ser deformada.

l

Fuerza de cohesión: fuerza de unión entre los elementos de la membrana (uniones descritas).

l

Capacidad de regeneración: si es que la integridad de la célula se ha roto o cuando se ha perdido parte de la membrana, por ejemplo en la exocitosis (ver biogénesis).

Se ubican también en mayor cantidad en la superficie externa de la membrana, contribuyendo a su asimetría.

PROPIEDADES DE LA MEMBRANA

42

l

Fluidez: las moléculas de lípidos y proteínas se desplazan dentro de la membrana.

l

Asimetría: la una mitad no es igual a la otra, existe además una distribución irregular de sus componentes. BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

l

Resistencia eléctrica: la membrana está cargada eléctricamente, lo cual explica cómo los iones tienen variaciones en cuanto a la afinidad o no con la carga de la membrana.

l

Regenerabilidad: la célula es capaz de restituirla.

GLUCOCÁLIZ Se denomina así a la cubierta en las células animales. En las células vegetales en donde además de la membrana plasmática existe la cubierta de celulosa, las células se comunican a través de poros o canales denominados plasmodesmos, lo cual permite el paso del agua y de otras substancias.

PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA La fisiología celular normal depende de la capacidad de intercambio entre la célula y el ambiente que la rodea, tomar los elementos necesarios y eliminar los desechos entre las más generales, aunque también verter productos de secreción, recibir señales bioquímicas, entre otras. Lo cual nos habla de la necesidad de la célula de seleccionar. Son membranas permeables las que dejan atravesar cualquier tipo de sustancias. Impermeables si no permiten su paso. Las membranas biológicas son semipermeables y selectivas porque permiten el paso de unas subs-

tancias y de otras no, de acuerdo al tamaño de los poros y también de los requerimientos celulares. No existen en los seres vivos membranas totalmente permeables ni impermeables. Las membranas pueden variar la permeabilidad en el tiempo, de tal manera que puede promover el paso de una sustancia si la célula en ese momento lo requiere o bloquear el ingreso a la misma sustancia si las necesidades han sido completadas. Esta es la condición primordial para que la célula mantenga su medio interno constante y la composición diferente al medio extracelular. SOLUCIONES Solución: es la unión ópticamente homogénea de dos o más substancias en proporciones variables. Ópticamente homogénea significa que ni con los más poderosos microscopios se puede observar heterogeneidad. En proporciones variables, o sea en límites bastante extensos. En la solución entran ordinariamente dos substancias diferentes: una se llama solvente y la otra soluto, en general el solvente se halla en mayor cantidad que el soluto, que se encuentra en menor cantidad. Las soluciones atendiendo al estado físico de sus componentes pueden ser de varios tipos: solución de gas en gas, gas en líquido, líquido en líquido, sólido en líquido, etc. Decimos que existe solubilidad cuando una sustancia en un solvente determinado se disuelve y, de acuerdo a la proporción en la que se disuelva se pueden obtener varios tipos de soluciones. 43

Las soluciones también pueden clasificarse de acuerdo al tono o concentración de soluto con relación a la de solvente de otra solución o a la presión osmótica, esta presión está dada por las partículas disueltas en el solvente; así las soluciones serán: 1. Isotónicas: cuando las concentraciones de soluto son iguales en dos o más soluciones; ejemplo dos soluciones al 0.9%. 2. Hipertónicas: cuando una solución presenta una mayor concentración de soluto que otra solución. Ejemplo una solución A es hipertónica si su tono es 0.9% respecto a B que es 0.8%. 3. Hipotónicas: cuando la solución presenta el soluto en menor concentración que la otra solución, en el ejemplo anterior B es hipotónica respecto a A.

SISTEMAS DISPERSOS La dispersión es el proceso por el cual se subdivide una sustancia en partículas cada vez más pequeñas para esparcirlas en el interior de otra sustancia. La sustancia que se divide y dispersa se llama fase dispersa o interna, la sustancia que la contiene se denomina fase dispersante o externa.

DIFUSIÓN Difusión es el movimiento de moléculas desde una región de alta concentración a otra de menor concentración, producida por el movimiento molecular.

En los gráficos siguientes podemos observar las soluciones superiores comparadas con las inferiores y su clasificación. solución isotónica

Difusión solución hipotónica

solución hipertónica

Todos los átomos y moléculas se encuentran en movimiento, a lo cual se denomina energía cinética. De otra parte, los tres estados de la materia se caracterizan por:

Soluciones 44

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Sólido: las moléculas se mueven pero no se desplazan porque entre ellas predomina la fuerza de cohesión, su movimiento es vibratorio.

Líquido: las moléculas están más separadas y la atracción entre ellas es menor, pueden desplazarse con mayor libertad, pero no totalmente, quedan limitadas a la fluidez.

las proteínas y dependerá del número de poros o canales de proteínas (por regla general). l

Gaseoso: las moléculas están moviéndose libremente, su separación es tal que las fuerzas de cohesión son muy débiles y su movimiento se ve limitado por las paredes de lo que lo contenga.

sólido

líquido

El tamaño de los poros: mientras mayor sea la diferencia en tamaño entre el poro y la sustancia esta pasará con mayor facilidad.

Las pequeñas moléculas y los lípidos atraviesan la membrana en ambos sentidos sin gasto de energía por transporte pasivo simple (difusión)

gas

aumento de energía

l

El tamaño de las substancias a atravesar.

l

La carga eléctrica: las membranas poseen cargas eléctricas, así por ejemplo se explica que la electronegatividad pueda atraer iones de Ca++ importante en la transmisión del impulso nervioso.

l

El espesor de la membrana: mientras mayor sea, menor será la difusión.

l

La temperatura: a mayor temperatura mayor velocidad de movimiento de las partículas de las substancias.

Estados de la materia

Estos movimientos son al azar y cesan solo en el cero absoluto de temperatura (0º K o -273ºC). Las membranas permiten el paso de las substancias de acuerdo a varios factores: l

La estructura de la membrana: las substancias liposolubles atravesarán por la bicapa lipídica (alcohol O2, etc.) las hidrosolubles lo harán por

45

l

La presión: cuando existe gradiente de presión entre los dos lados de la membrana, por ejemplo en los capilares arteriales sanguíneos, aumenta la tasa de difusión, puesto que se "empuja" la sustancia hacia el lado opuesto, aumentando el total de moléculas que golpean ese lado de la membrana.

MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CELULAR

por la gradiente de concentración y por la energía cinética de las moléculas. ÓSMOSIS Y DIÁLISIS La sustancia que mayor difusión tiene a través de la membrana es el agua, y su movimiento causado por gradiente de concentración se denomina ósmosis, que consiste en que desde el sitio donde existe una mayor cantidad de agua (solvente) ésta pasará al de menor cantidad. membrana semipermeable

Transporte sin gasto de energía: l l

Difusión simple: ósmosis y diálisis. Difusión facilitada.

Transporte con gasto de energía: l

Transporte activo: primario y secundario.

Transporte en masa: l l

Endocitosis: fago y pinocitosis. Exocitosis.

DIFUSIÓN SIMPLE Es una forma de permeabilidad pasiva de la membrana, que obedece a leyes físicas; se produce por el paso de las moléculas desde un sitio de mayor hacia uno de menor concentración, esto se denomina "gradiente de concentración" y la difusión se hará hasta que se equilibren las dos concentraciones, la célula no invierte o gasta energía, pues el paso de las substancias se hace 46

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

solución hipertónica

solución hipotónica

soluciones isotónicas

Osmosis

Diálisis es el paso de los solutos a través de una membrana desde el sitio de mayor hacia el de menor concentración.

Diálisis

TRANSPORTE ACTIVO Ocurre en contra de la gradiente de concentración es decir del sitio de menor al de mayor concentración, y la célula consume ATP o energía para realizarlo, se denominan también "bombas".

Transporte activo

ACTIVIDADES: Escribe porqué es importante la membrana celular. l Realiza un mapa conceptual de los elementos que forman la membrana y la función que cada uno cumple. l Resume las funciones generales y las propiedades de las membranas celulares. l Explica porqué el modelo de membrana es: mosaico, fluido, asimétrico. l Realiza un cuadro sinóptico de las formas de transporte a través de la membrana celular. l

PREGUNTAS DE REPASO

_ La estructura básica de la membrana corresponde al modelo sándwich de lípidos y al centro proteínas. _ Entre las funciones de los lípidos de membrana: ser receptores. _ La diálisis es el paso del solvente a favor de la gradiente de concentración. 2. ¿Cómo se denomina al transporte a través de la membrana que requiere gasto energético y que se hace contra gradiente? 3. Señale los factores de los que depende la difusión de una sustancia a través de la membrana celular: Tamaño de los poros. Concentración de la sustancia. l Carga eléctrica de la sustancia. l Tamaño de la sustancia. l Todas las anteriores. l l

1. Señala con V (Verdadero) o F (Falso). _ Los lípidos más abundantes de las membranas son los fosfolípidos.

47

EL CITOPLASMA La fracción del citoplasma en la que se hallan asentados los organelos se denomina citosol, es un coloide, es decir un sistema disperso formado por agua y proteínas disueltas, además de otras moléculas como electrolitos, lípidos, etc. El citoplasma se divide en endo y ectoplasma: ectoplasma: fracción más periférica, carece de organelos o gránulos, es más homogéneo. El endoplasma, hacia el interior, en el se sitúan organelos y gránulos, es heterogéneo, más viscoso. En el citoplasma además existe el citoesqueleto, con funciones análogas a las de cualquier esqueleto: sostén y protección.

SISTEMA DE MEMBRANAS

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Constituido por una red de estructuras tubulares, canales y vesiculas aplanadas que se interconectan entre sí y que a su vez se relacionan con las membranas del núcleo y de Golgi. Las membranas de RE poseen la misma organización de mosaico fluido descrita anteriormente. Clasificación: l

RE RUGOSO: se lo denomina así por estar asociado a los ribosomas que le confieren su aspecto, por esta relación, cumple con las funciones de transporte de las proteínas que en estos se sintetizan y que penetran a la luz de las cavidades para completar su procesamiento y ser distribuidas a los diferentes lugares de la célula.

l

RE LISO: libre de ribosomas, esta parte especializada, cumple funciones de detoxificación, síntesis de lípidos, síntesis de hormonas esteroides como las sexuales.

INCLUSIONES CITOPLASMÁTICAS Se diferencian de los organelos intracitoplasmáticos porque son inconstantes, carecen de una estructura fija, son productos del metabolismo y por su carácter son: de secreción, excreción o reserva. l

48

Secreción: cuando la célula elabora productos que serán secretados o vertidos para ser empleados en otros sitios, por ejemplo las enzimas digestivas, hormonas, anticuerpos, etc.

l

Excreción: los desechos del metabolismo, por el contrario son eliminados hacia el espacio extracelular.

l

Reserva: acúmulo de sustancias como el glucógeno, en las células animales, almidón en las vegetales, grasa en los adipocitos, etc. BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Dependiendo del tipo celular podría predominar uno u otro tipo, por ejemplo en las células que producen una gran cantidad de enzimas o proteínas que se secretan predominará el RER en tanto que en las células adiposas será el liso. En las células musculares el RE se encuentra muy desarrollado y recibe el nombre de retículo sarcoplásmico y su función es regular la cantidad de calcio indispensable para la contracción muscular.

APARATO DE GOLGI

membrana nuclear

El aparato de Golgi está constituido por cisternas cuya función es almacenar las moléculas orgánicas. Está relacionado con RE desde el cual pasan pequeñas vesículas con contenido de proteínas o lípidos hacia el aparato de Golgi, para continuar su procesamiento y posterior secreción.

retículo endoplasmático rugoso

retículo endoplasmático liso

Es un sistema de membranas que forman vesículas que se apilan en número variable, está particularmente desarrollado en las células que poseen secreción. Entre las funciones: adición de grupos azúcares a lípidos y proteínas, empaquetamiento y secreción de los mismos, formación de lisosomas.

Retículo endoplasmático

Las proteínas que secreta el aparato de Golgi son glucoproteínas.

RIBOSOMAS Parecen gránulos esféricos. Están formados por dos subunidades, cada una de las cuales a su vez posee ARNr y proteínas, pueden adherirse a RER o estar libres en el citoplasma, su función es la síntesis de las proteínas. Los ribosomas son muy numerosos en las células. ribosoma procariótico

ribosoma eucariótico

ARN 23S ARN 5S

ARN 28S ARN 5,8S ARN 5S

50S L1 a L31 ARN 16S

30S

subunidad grande subunidad pequeña

lisosoma

vesículas de secreción dictiosoma

60S L1 a L49 ARN 18S

40S

S1 a S21

S1 a S33

70S

80S Ribosoma

vesículas de transición vesículas intermedias

membrana celular retículo endoplasmático

cara CIS cara TRANS

Aparato de Golgi 49

Muchas enzimas al recién sintetizarse lo hacen en forma de precursores que deben irse procesando hasta transformarse en la proteína funcional madura, por ejemplo las enzimas se sintetizan como proenzimas y luego se activan.

LISOSOMAS Del griego lisis = rotura disolución y soma = cuerpo. Son vesículas llenas de enzimas hidrolíticas (hidro = agua), estas son capaces de disolver alimentos o partículas extrañas que hayan llegado hacia la

célula. Son abundantes por ejemplo en los linfocitos de la sangre como un mecanismo de defensa. Son organelos en forma de vesículas, constituyen el aparato digestivo de la célula. Están rodeados por una membrana y poseen enzimas hidrolíticas para digerir cualquier compuesto orgánico: lípidos, proteínas, ácidos grasos o azúcares. La célula pude digerir sustancias y estructuras intracelulares, en especial aquellas dañadas o envejecidas que requieran ser sustituidas, partículas alimenticias ingeridas, material indeseable.

exocitosis retículo endoplasmático creando una vesícula alrededor de una mitocondria

A. de golgi

membrana plasmática

retículo endoplasmático liso

vacuolas digestivas

lisosoma

Vacuola con enzimas hidrolíticas

lisosoma digeriendo un organelo dañado

lisosomas primarios

lisosoma autofágico

lisosomas secundarios A. de Golgi

“alimento” retículo endoplasmático rugoso

ruptura de lisosoma resultando en autolisis de la célula

Lisosomas y sus funciones BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

cuerpo residual

enzimas degratativas

lisosoma primario

50

vesícula autofágica

lisosoma heterofágico

entrega de productos de la digestión

bacteria en fagocitosis vacuola fagocítica

Por tanto participa en algunas funciones de la célula: Fagocitocis (fago = comer) proceso en el cual la célula a través de su membrana forma un saco que envuelve a la partícula sólida a comer y la lleva hacia el citoplasma en donde se fusiona con el lisosoma que lo digiere, así la célula puede nutrirse o puede eliminar agentes nocivos extraños. l Autolisis: (auto = propio) destrucción de lo que no requiere. l Destrucción de material extracelular ejemplo el hueso tras una fractura. l

La membrana que rodea al lisosoma evita que las enzimas pueda destruir la propia célula, en algunas enfermedades la membrana puede ser inestable y liberar de forma anómala sus enzimas.

PEROXISOMAS También son organelos en forma de vesículas, cubiertos por una membrana, las enzimas que se encuentran en su interior son oxidasas, capaces de formar y luego destruir el agua oxigenada o peróxido de hidrógeno H2O2

MITOCONDRIAS Son las centrales energéticas, están presentes en todos los tipos de células eucariotas, pueden variar en forma y tamaño, redondeadas, ovoideas o de bastoncitos. El número y la posición varían de acuerdo a las necesidades energéticas y actividad celular. Conjuntamente con los cloroplastos son los únicos organelos que poseen dos membranas: una externa y otra interna, hacia dentro queda la matriz mitocondrial y entre las membranas el espacio intermembrana. La membrana interna proyecta hacia la matriz unas prolongaciones denominadas crestas, donde se localizan las enzimas para la cadena de electrones y la ATP sintetasa.

espacio intermembrana

membrana externa

membrana cresta interna 0.1-0.5 µm

partículas de sintasa del ATP ADN

ribosoma matrix gránulo

peroxisoma

1-2 µm

Los peroxisomas contienen enzimas oxidantes

Estructura de una mitocondria 51

Las mitocondrias además poseen su propio ADN, pequeño, circular, que conjuntamente con sus ribosomas están en capacidad de sintetizar algunas proteínas que se integran a su estructura. Las mitocondrias se multiplican por división de las pre-existentes.

CATABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS (GLUCOSA) 1. Glucolisis: conjunto de reacciones que tienen lugar en el citosol de la célula, es el desdoblamiento de la glucosa en dos moléculas de piruvato; la glucólisis no requiere la presencia de oxígeno. Las moléculas de piruvato ingresan a la mitocondria para continuar las siguientes fases. Se produce además una pequeña fracción de ATP. 2. Formación de la acetil coenzima A (CoA) por descarboxilación y deshidrogenación. 3. Ciclo de Krebs o del ácido cítrico que es un conjunto de reacciones de descarboxilación y deshidrogenación, pero también de producción de ATP. 4. Cadena de electrones y fosforilación oxidativa, es la fase donde se produce la mayor cantidad de ATP, requiere de O2. La generación de ATP ocurre por gradiente electroquímico, que es aprovechado por la enzima ATP sintetasa en la membrana interna de la mitocondria. Por cada molécula de glucosa la célula obtiene una ganancia neta de 36 ATP, su ecuación general sería: Glucosa C6H12O6 52

ATP + CO2 + H2O

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

LOS PLASTOS DE LAS CÉLULAS VEGETALES Los plastidios o plastos son organelos propios de las células vegetales; serán según su coloración: o Leucoplastos: incoloros como los amiloplastos o Cromoplastos coloreados, como los cloroplastos que son de color verde por la clorofila CLOROPLASTOS Son los organelos encargados de la actividad de fotosíntesis de las células vegetales, que básicamente consiste en captar el CO2 de la atmósfera a través de las hojas y agua a través de sus raíces para emplearlos en la síntesis de hidratos de carbono, desprendiendo hacia el aire O2, es decir al ser parte de los organismos autótrofos son capaces de sintetizar alimentos a partir de elementos simples y enriquecer la atmósfera con el O2 que será empleado en la respiración de los organismos aerobios. Su forma y tamaño es variable según el estado fisiológico de la célula vegetal y de su exposición a la luz solar, de la cual dependen para poder desarrollarse. Son numerosos en una misma célula y su promedio en tamaño es de 5 micras. Estructura: los cloroplastos están rodeados por dos membranas: externa e interna, entre ellas un espacio intermembrana, y hacia dentro el estroma del cloroplasto, pero además poseen un compartimiento más, el tilacoideo, rodeado por una membrana de ese mismo nombre. Los tilacoides parecen pequeños sáculos que se apilan como platos o monedas y que en conjunto forman los cuerpos de grana.

2 µm

estroma cloroplasto epidermis superior granum

membrana tilacoide

epidermis inferior

membrana interna

membrana externa

espacio tilacoide

espacio intermembrana

CLOROPLASTOS

En las membranas de los tilacoides se encuentran los pigmentos capaces de absorber la luz solar que es empleada como energía en la fase lumínica de la fotosíntesis, sobre todo la clorofila, a manera de fotosistemas, es decir conjuntos ordenados de varios cientos de moléculas que como antenas captan la energía lumínica. Los cloroplastos además en su estroma poseen ADN y ribosomas que ejecutan la síntesis de algunas de sus enzimas.

LA FOTOSÍNTESIS Es un proceso mediante el cual los organismos autótrofos (plantas verdes) producen moléculas

alimenticias complejas a partir de elementos simples, estos alimentos son ricos en energía. El proceso de la fotosíntesis se inicia cuando una serie de pigmentos localizados en los fotosistemas de los tilacoides de los cloroplastos, capturan la energía lumínica en forma de fotones, esto produce excitación de los electrones que desde la clorofila pasan a una cadena transportadora hasta formar compuestos de energía como el ATP y NADPH, en esta fase que se denomina lumínica ocurre también la ruptura de la molécula del agua y la eliminación al exterior del O2. Los compuestos energéticos de la fase lumínica son empleados luego en la fase de oscuridad para sintetizar los carbohidratos como la glucosa, para lo cual la planta fija las moléculas de CO2. 53

La ecuación general es: H2O + CO2 + energía solar

C6H12O6 (glucosa) + O2

CITOESQUELETO

so acromático. La tubulina forma largos filamentos huecos.

Es un conjunto de proteínas que forman 3 diferentes elementos: l

Microtúbulos: cuya proteína es la tubulina, son los de mayor grosor, forman estructuras dinámicas, en constante cambio, poseen un extremo de origen y otro de crecimiento rápido, forman parte de centríolos, cilios, flagelos, hu-

l

Microfilamentos: formados principalmente por proteínas como la actina, son los más pequeños, pero igualmente son muy dinámicos; forman una red en el citoplasma celular. En las células musculares en conjunto con otras proteínas como la miosina participan en la contracción y en los cambios de forma de las células.

membrana plasmática

microtúbulos retículo endoplasmático mitocondrias

ribosomas

microfilamentos y filamentos intermedios

Componentes del citoesqueleto 54

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

l

Filamentos intermedios: como su nombre lo indica, poseen un tamaño entre los dos anteriores, son los elementos que por excelencia forman el esqueleto celular, pues son los más estables: en cada tipo celular encontramos diferentes proteínas, por ejemplo la queratina en los epitelios a los cuales dan resistencia.

Entre las funciones del citoesqueleto, podemos mencionar: l

Sostén y protección celular.

l

Participar en el movimiento celular.

l

Facilitar el transporte dentro de la célula (hacen de verdaderos carriles).

l

Contribuye a la forma celular o a los cambios en ciertas células como los leucocitos.

ciliado espermatozoide

Ejemplos de células ciliadas y flageladas. Los cilios son prolongaciones del citoplasma cortas y numerosas. Los flagelos son largos y poco numerosos.

ESTRUCTURAS PARA EL MOVIMIENTO Cilios y flagelos, están presentes en los seres humanos por ejemplo el espermatozoide es una célula flagelada, en tanto en varios epitelios hay prolongaciones ciliares, además es importante su conocimiento pues muchos organismos patógenos los poseen, ejemplo tripanosoma, giardia, balantidium, etc. Los cilios y flagelos tienen forma filamentosa, están anclados a la célula por uno de sus extremos y el otro es libre, pueden ejecutar varios movi-

mientos, difieren entre sí por ser cortos y abundantes en el caso de los cilios y escasos y de mayor longitud los flagelos. Estructura: l

Se encuentran recubiertos por la membrana celular.

l

Un haz de microtúbulos, que se organizan en 9 dobletes y un par central.

l

Se unen a la célula por el denominado cuerpo parabasal, similar a un centríolo.

55

Otros elementos presentes en microorganismos son los cirros y membranas ondulantes. cilio

Cirros: tienen la forma de un gancho y sirven para que la célula pueda fijarse. dineina

par de microtúbulos

membrana plasmática par de microtúbulos

Además las células pueden moverse por la emisión de seudópodos (falsos pies) que son prolongaciones de membrana y citoplasma que se emiten y facilitan el desplazamiento.

radio

brazos (dineina)

microtúbulo central individual

brazos (dineina)

membrana plasmática

enlace (nexina)

citosol corpúsculo basal

Estructura del cilio 56

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Membrana ondulante: carecen de extremo libre, es una fina membrana que al igual que los flagelos sirve para el desplazamiento del microorganismo.

2. ¿Qué significa fagocitosis?

ACTIVIDADES: Dibuja una célula y anota en su interior los organelos intracitoplasmáticos. l Indica para cada organelo la función más impor tante. l Diferencia entre organelo e inclusión l Investiga las diferencias entre células vegetales y células animales. l Realiza una lista de las diferencias entre las funciones de las mitocondrias y los cloroplastos. l Realiza un esquema comparativo entre aparatos y sistemas del cuerpo humano y los celulares.

l

Ingestión de líquido.

l

Secreción de partículas.

l

Ingestión de partículas sólidas.

l

Movimiento ameboide.

l

3. ¿Cuál es la función de aparato de Golgi? l

Síntesis de proteínas.

l

Formar cilios y flagelos.

l

Fotosíntesis.

l

Almacenar moléculas orgánicas.

4. La glucólisis es:

PREGUNTAS DE REPASO 1. Frente a cada función indica el organelo que la cumple: Central energética Sostén y protección celular

l

La transformación de ATP en ADP.

l

La formación de agua metabólica.

l

La ruptura de la molécula de glucosa en dos piruvatos.

l

La ruptura del glucógeno en unidades de glucosa.

5. Escriba la ecuación general de la fotosíntesis.

Digestión Síntesis de proteínas

6. Diferencias entre cilios y flagelos.

57

heterocromatina lámina nuclear

eucromatina envoltura nuclear retículo endoplasmático rugoso

nucleolo

pars granulosa pars fibrosa centro organizador nuclear

poro nuclear

Núcleo celular

EL NÚCLEO Es un cuerpo ovalado o redondeado, presente en todas las células eucariotas, delimitado por la envoltura nuclear. l

Ubicación: casi siempre central, sin embargo podría estar desplazado, por ejemplo, en las células adiposas.

l

Número: generalmente único, aunque pueden existir células multinucleadas. En microorganismos pueden existir un macronúcleo responsable de la actividad metabólica y un micronúcleo para la reproducción sexual.

l

58

Forma: casi siempre con tendencia hacia lo esferoidal, y en relación a la forma celular, pero puede como el caso de los leucocitos neutróBIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

filos adquirir diferentes formas y lobulaciones, a ellos se los ha denominado polimorfonucleares. l

Tamaño: en proporción a la célula entre 1/20 y 1/100.

l

Elementos: la envoltura nuclear o carioteca, el jugo nuclear o cariolinfa, la cromatina o cromosomas y el nucleolo.

l

Función: Control del ciclo celular; esto es, actividades metabólicas y reproducción celular.

Envoltura nuclear. Está formada por una doble membrana con un espacio entre ellas denominado periplásmico, las dos membranas guardan continuidad a nivel de unas perforaciones denominadas poros nucleares.

l

Los poros nucleares: son complejos de proteínas que regulan el paso de las sustancias entre el núcleo y el citoplasma, su número es muy abundante.

l

La lámina nuclear: parte del esqueleto de la célula, formada por proteínas que dan sostén y mantienen la forma nuclear.

Cromatina y cromosomas. El material genético de la célula se dispone en el núcleo, cuando la célula está en interfase, como una extensa red de filamentos denominados cromatina, en tanto que cuando la célula se divide, adoptan una conformación de entidades individuales, muy enrolladas y compacta denominados cromosomas, en el caso de las células humanas en un número de 46.

El nucleolo. Es un corpúsculo redondeado, muy refringente, está formado por regiones especiales de la cromatina en donde se forman las subunidades de los ribosomas. El jugo nuclear. Al igual que el citoplasma es un coloide, en el cual se hallan en dispersión varios elementos, además sirve de asiento a los demás componentes del núcleo.

CROMOSOMAS ESTRUCTURA l

los cromosomas están formados por ADN enrollado en proteínas llamadas histonas.

telómero

centrómero

telómero cromátide cromátide

pares base

cromosoma DNA (doble hélice)

histones

núcleo

célula

De la célula al ADN 59

l

Los cromosomas en metafase tienen la forma de una X cuyos brazos se reúnen en la zona media a la que se denomina centrómero, los extremos se llaman telómeros.

Telocéntricos (no presentes en humanos) solo pose brazos largos y el centrómero está al extremo.

Los cromosomas pueden variar en forma y esto se emplea para poderlos clasificar y ordenan en un cariograma. l

l

l

l

El número: las células somáticas poseen 23 pares de cromosomas es decir 46, por eso se las denomina diploides o que tienen 2n cantidad de ADN. Los gametos óvulo y espermatozoide, poseen 23 cromosomas, n cantidad de ADN y se llaman células haploides. Los cromosomas se ordenan en pares, que se denominan homólogos, a excepción de los cromosomas sexuales, que se llaman XY para los varones y XX para las mujeres y del 1 al 22 se llaman somáticos o autosomas. Podemos decir que existen en esas células dos juegos de cromosomas, por ello se denominan diploides. Los gametos óvulos y espermatozoides tienen solo un juego de cromosomas y por eso se dice que son haploides. Los cromosomas por la ubicación del centrómero y la longitud de los brazos se clasifican en: Metacéntricos: centrómero a la mitad y brazos de igual longitud. Submetacéntricos: brazo largo y corto en una relación 5/3, centrómero desplazado. Acrocéntrico, brazo largo y corto en una relación 5/1.

60

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

A: Cromosomas telocéntricos B: Cromosomas acrocéntricos con constricción secundaria y zona sat. C: cromosomas submetacéntricos. D: Cromosomas metacéntricos.

Clases de cromosomas

Las alteraciones o aberraciones cromosómicas son un problema que puede referirse al número o a la estructura de ellos, así puede haber un cromosoma demás en un par (trisomía) por ejemplo el síndrome de Down que se caracteriza por tener 47 cromosomas y tres cromosomas número 21, se presenta en varones y mujeres.

CICLO CELULAR Las células a lo largo de su vida cumplen diversas fases, a las cuales se denominan en conjunto ciclo celular, el mismo que está dividido en dos períodos: la interfase y la división.

La interfase: es un período de gran actividad celular, sus funciones metabólicas de síntesis y degradación están activas, la célula no se halla en reposo. Este periodo se dividen en: l

Fase G1.

l

Fase S o de duplicación del ADN, la célula hace una copia exacta de su ADN para poder repartirla entre las células hijas.

S

Fase G2 de preparación para la división.

G1

La división celular: las células somáticas humanas se dividen por mitosis y el resultado son dos células hijas con iguales características que su progenitora. Cada tipo celular tiene ciclos celulares diferentes en relación a su duración, y existen células que se "salen" del ciclo pues no vuelven a dividirse como el caso de las neuronas y se encuentran en un estado denominado G0 (cero).

ACTIVIDADES:

mitosis

D

A. Profase

G2

M cit oc ine sis

l

interfase

B. Metafase

C

B

A

C. Anafase

D. Telofae

Ciclo celular

Dibuja un cromosoma y anota sus partes. ¿Qué diferencia existe entre cromatina y cromosomas? l Realiza un círculo con las fases del ciclo celular. l Averigua qué células humanas no se dividen en los organismos adultos. l l

Averigua cuántos cromosomas tienen especies domésticas de plantas y animales. l Dibuja células de diferente forma, con sus núcleos. l

61

PREGUNTAS DE REPASO 1. Complete el número de cromosomas en células humanas l l l

Las células somáticas Un óvulo Un espermatozoide

3. El cromosoma que solo posee brazos largos se denomina Metacéntrico. l Acrocéntrico. l Submetacéntrico. l Telocéntrico. l Ninguna de las anteriores. l

2. Complete con una sola palabra: Una célula que posee dos juegos de cromosomas se denomina l Una célula que posee un juego de cromosomas se llama l

REPRODUCCIÓN CELULAR La condición fundamental de la vida es la reproducción, pues garantiza la supervivencia de la especie. Existen diferentes formas de reproducción celular: SIMPLE, DIRECTA O AMITOSIS Se caracteriza por ser sencilla, no presenta fases ni las estructuras celulares adoptan configuracio62

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

nes especiales en la cromatina ni en el citoplasma. Existen varias formas: gemación, esporulación y división simple. DIVISIÓN SIMPLE Partición, se produce un estrangulamiento de la célula tanto del citoplasma, núcleo y membrana, que culmina con la separación y obtención de dos células hijas idénticas. Dependiendo de la forma de la célula madre, la división puede ser longitudinal o en el plano ecuatorial. Ocurre en algunos protozoarios y bacterias.

división simple

ESPORULACIÓN Consiste en una fragmentación del núcleo, cada parte resultante se rodea de citoplasma y membrana, para posteriormente liberarse destruyendo la célula madre. Ocurre en hongos, protozoarios como el plasmodium responsable del paludismo, etc.

gemación

DIVISIÓN POR MITOSIS O INDIRECTA La división mitótica se caracteriza por profundos cambios a nivel del núcleo, donde se forma el aparato cromático, es decir los cromosomas, y también a nivel del citoplasma donde se forma el huso acromático.

esporulación

Formas de reproducción simple

GEMACIÓN Ocurre cuando aparece una gema, yema o brote a nivel de la membrana y en ella se va introduciendo parte del citoplasma y del núcleo, va creciendo hasta alcanzar un tamaño suficiente y se separará para continuar su crecimiento posterior hasta ser igual a la progenitora. Ocurre en algunos protozoarios.

Mito = filamento, su nombre se debe a que en etapas iniciales los cromosomas a nivel del núcleo adoptan la forma de filamentos que van engrosándose. Para que ocurra la mitosis la célula previamente ha duplicado todos sus componentes para poderlos repartir a través de la división.

FASES DE LA MITOSIS Profase: l

Los cromosomas comienzan a espiralizarse y aparecen como filamentos que se van despla63

zando para tomar contacto con la envoltura nuclear. l

membrana celular

En el citoplasma disminuye el ingreso de agua por la membrana y se vuelve más viscoso, los centríolos duplicados, que ahora se llaman centrosomas se desplazan hacia los polos, a la vez que se inicia la formación entre ellos del huso acromático.

Prometafase: l

centrosoma secundario

membrana nuclear

cromosomas condensados centrosoma (centríolos pares)

Es una etapa intermedia en la que la envoltura nuclear se fragmenta y desaparece, así como también el nucleolo.

PROFASE

Metafase: l

l

Los cromosomas completan la espiralización, se hallan más condensados, cortos, son cromosomas dobles, pues la célula previamente duplicó el ADN por eso adoptan la forma de X.

placa metafase

cromosomas duplicados en eje ecuatorial

Los cromosomas se disponen en la parte media o ecuatorial de la célula y tomarán contacto con las fibras del huso de cada polo, es decir que cada cromosoma toma contacto con fibras orientadas hacia ambos lados, este contacto se hace en la parte media del cromosoma, denominada centrómero.

asters radiales desde el centrosoma

fibras conectadas con el centrómero

METAFASE 64

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

Anafase: l

Se caracteriza por la división longitudinal de los cromosomas, que como mencionamos son dobles, cada mitad se denomina cromátida hermana y formará un cromosoma simple en cada célula hija a la que se dirija.

l

Los cromosomas resultantes se dirigen hacia los polos arrastrados por las fibras del huso acromático, pero también porque la célula se alarga, la anafase termina cuando 46 cromosomas simples han llegado a cada polo.

l

Cada polo recibe 46 cromosomas simples.

cromosomas simples

fibras conectadas con el centrómero

Telofase: l

Es una fase regresiva, ocurren los fenómenos de la profase a la inversa.

l

En la parte media aparece un estrechamiento que terminará por estrangular la región y separar las dos células hijas.

l

Los cromosomas se desenrollan y vuelven a ser cromatina.

l

Se reconstruye la envoltura nuclear y el nucleolo.

l

El centrosoma vuelve a ser centríolo y las fibras del huso acromático desaparecen.

l

La célula recobra su forma original.

ANAFASE

anillo contráctil excisión

cromosomas simples

TELOFASE 65

núcleo

centríolos

membrana nuclear membrana plasmática citoplasma

interfase

fibra fusiforme bipolar

profase centrómero células hijas

polo fusiforme

prometafase microtúbulo cromátide

metafase

telofase Plano ecuatorial (placa metafase)

anafase

FIGURA

66

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

l

ACTIVIDADES: l

l

Realiza un cuadro sinóptico de las fases de la mitosis y lo que en cada una de ellas ocurre. Realiza los gráficos correspondientes a la división simple, gemación y esporulación.

l

2. ¿Cómo son los cromosomas al iniciar la mitosis? l l l

PREGUNTAS DE REPASO

2 células hijas diploides iguales a la progenitora. Una gema o brote.

l

23 23 46 46

simples. dobles. simples. dobles.

1. Las células que se dividen por mitosis producen: l l

4 células hijas. 2 células hijas haploides.

67

1 13 12

15 14

2 3

11

4

10

5

6

9

7 8

68

1.

6.

11.

2.

7.

12.

3.

8.

13.

4.

9.

14.

5.

10.

15.

BIOLOGÍA. CURSO PROPEDÉUTICO

BIBLIOGRAFÍA

ALVAREZ Agustín: Ciencias Naturales. Ediciones Científicas. Quito. 2000. l AUDESIRK Teresa: Biología. VI Edición. Prentice Hall. México 2003. l DE ROBERTIS Eduardo: Biología Celular y Molecular. Editorial ATENEO. XII edición, IV reimpresión. Argentina 1998. l ESTRELLA Rodrigo: Textos de Biología y Ecología para Cuarto, quinto y sexto curso. Proyectos editoriales RADMANDI. Quito 2003. l FARRERAS: Medicina Interna l FRIED George: Biología Editorial Mc Graw Hill. México 1990. l GUARDERAS Carlos Texto de Biología Moderna. VII edición 1996. l GUYTON: Tratado de Fisiología Médica Ed. Mc Graw Hill. X Edición. 2001. l JACOB Stanley: Anatomía y fisiología humana. Ed. Interamericana IV edición. 1982. l JONES Emma Lo esencial en célula y Genética. Cursos crash de Mosby. España 1999. l JORDE Lynn Genética Médica. Ed. Mosby – Dpoyma. Madrid 1996. l SANCHEZ - ORTIZ Biología: sus bases moleculares en el umbral del siglo XXI. Universidad autónoma de Morelos, México 1998. l SERRANO Julio: Biología y citogenética. Universidad de Cuenca 1994. l VILLEE Claude: Biología. Editorial Interamericana. II Edición. México 1992. l

69

BIOQUÍMICA DR. RODRIGO CAÑIZARES VÉLEZ

TEMA 1 QUÍMICA

- Proteínas = 4 Kcal / gramo. - Glúcidos = 4 Kcal / gramo. - Grasas = 9 Kcal / gramo. c) Investigación de nuevas substancias.

Concepto. "Química es la ciencia que estudia las substancias", sin estudiar sus propiedades accidentales. La Química estudia la constitución, las propiedades físicas, químicas y las trasformaciones que puede sufrir la materia. Importancia. La importancia de la Química se resume en la siguiente frase: "Todo fenómeno biológico obedece a un cambio químico". La Química se relaciona con todas las ciencias; un médico debe tener conocimientos de química para poder interpretar las reacciones que ocurren en el organismo, saber cuando hay falta o exceso de elementos o compuestos químicos en el cuerpo, etc.

Objeto de estudio. El objeto de estudio comprende 3 puntos importantes: a) Distinguir los tipos de materia. b) Estudiar las reacciones químicas: 1. Posibilidad. 2. Velocidad de la reacción. 3. Variación de energía. Esta última es importante, para más tarde saber cuántas calorías desprenden los alimentos como:

División. La Química se divide en: 1. Química General: estudia principios generales aplicables a un gran número de substancias. Ejemplo: gases, viscosidad de los líquidos, solubilidad, etc. 2. Química Inorgánica: estudia los elementos individualmente, excepto al carbono. 3. Química orgánica: estudia sólo al carbono y por tal motivo suele ser llamada también Química del Carbono. 4. Química Analítica: distingue los tipos de materia, es decir, identifica. Se divide en: a) Cualitativa (componentes). b) Cuantitativa (cantidad). 5. Química Física: llamada también Físico-Química, relaciona la estructura y las propiedades de la sustancia. 6. Química Técnica: se refiere a todo lo que tiene que ver con la industria (Ingeniería Química). 7. Bioquímica: estudia leyes y principios químicos aplicables a un ser vivo. Ej. El cloro que posee nuestro estómago. La Leyes de los gases que se aplican en el alveolo pulmonar.

71

TEMA 2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES Materia. "Es todo lo que posee inercia". La inercia es la resistencia a moverse, o modificar su estado de reposo o movimiento. Este concepto es aplicable a sólidos, líquidos y gases. Un concepto sólo para líquidos, sólidos y algunos gases es "Materia es todo lo perceptible por nuestros sentidos" lo que no es valedero para algunos gases como el Monóxido de Carbono que es un gas incoloro, inodoro e insípido. Masa. "Es la cantidad de materia que posee un cuerpo". También se puede definir como la relación que hay entre la fuerza que se aplica a un cuerpo y la aceleración que se produce.

es solo 1/6 del que tendría en la tierra. En el espacio interestelar no hay peso porque no hay gravedad. Densidad. "Masa de la unidad de volumen"; se representa así (d): g d= cc o ml

Estados de la materia. La materia se encuentra en 3 estados fundamentales y son: l

SÓLIDOS: tienen forma propia, volumen propio, no fluyen (fluir significa que en un cuerpo una parte puede ir más rápido que otra).

l

LÍQUIDOS: tienen volumen propio, adoptan la forma del recipiente que los contienen, fluyen.

l

GASES: no tienen volumen propio, no tienen forma, son expansibles (que siempre ocupan todo el volumen), fácilmente compresibles.

a La unidad de masa en nuestro sistema es el gramo. En el sistema inglés es la libra. l l

1 Libra (sistema inglés) = 454 gramos. 1 kilogramo = 2,2 libras.

Peso. "Es la fuerza de gravedad que atrae a la masa". En la tierra la gravedad es constante por lo que 1 g masa equivale a 1 g peso, en la luna la fuerza de gravedad es de 1/6 por lo tanto la masa permanece invariable y el peso de un cuerpo 72

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

v

Los gases tienen densidad relativa, se los compara con patrones, en el sistema inglés la densidad se mide en lbs/pie cúbico.

f m=

m d =

Estas características se deben a que toda molécula tiene una fuerza de atracción y repulsión. En los sólidos: FA mayor que la FR. En los líquidos: FA = FR ó FA ligeramente mayor a la FR. En los gases: FR mayor que la FA.

Estas fuerzas pueden ser modificadas por dos factores: l

PRESIÓN: aumenta la fuerza de atracción.

l

TEMPERATURA: aumenta la fuerza de repulsión.

Estos factores modifican las fuerzas, por lo que se producen los cambios de estado de la materia, estos cambios pueden ser:

SÓLIDO fusión

solidificación

Propiedades químicas. Estas se manifiestan cuando la materia se transforma, aquí es necesario que se realice una reacción química. Ejemplo: 2Fe + 302 → 2Fe203 (óxido férrico). Por lo tanto una propiedad química del hierro es que en contacto con el oxigeno, se oxida.

sublimación Calor. Es la forma de energía que modifica la temperatura de los cuerpos.

GASEOSO condensación

Propiedades físicas de la materia. Son un grupo de propiedades que sirven para identificar y diferenciar los tipos de materia. Si estas propiedades dependen de los sentidos se conocen como propiedades organolépticas. Las propiedades organolépticas son: color, olor, sabor etc. Otras propiedades físicas como: densidad, punto de ebullición y fusión, brillo, dureza, etc. Ejemplo: l

El punto de ebullición del alcohol metílico es 64 ºC.

Temperatura. "Es el nivel térmico de los cuerpos".

evaporación

LÍQUIDO

l

El punto de ebullición del alcohol etílico es 78,1ºC.

Para medir la temperatura en medicina, se utilizan los termómetros, que se basan en que el volumen de los líquidos (mercurio o alcohol) se incrementa cuando aumenta la temperatura debido a que los líquidos se dilatan, y ascienden a través de una columna graduada de sección uniforme. Para establecer una escala de temperatura hacen falta 2 cosas: l

un cero y

l

una unidad.

Por lo tanto se han establecido 2 escalas:

73

l

CENTÍGRADOS O CELSIUS: se basó en 2 niveles térmicos tomados arbitrariamente, llamando 0º C al nivel térmico en el que solidifica el agua y 100º C al que hierve el agua.

100º C

l

FAHRENHEIT: dio el valor de 32º F a la temperatura a la que el agua se vuelve hielo y a la que hierve el agua el valor de 212º F. Este espacio se dividió en 180 partes iguales, cada una de estas partes sería 1º F (7).

0º C 212º F

32º F

0º F

Este espacio se dividió en 100 partes iguales siendo cada una de estas partes 1º C.

EJERCICIOS l

Convertir 40º C a ºF

100º C 40º C

180º F X

x = 72º F

l

Convertir 80º F a º C

80 - 32 = 48 100º C X

100º C

l

104º F

40º C

180° F 32° F

180º F 48º F

74

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

0º C

0º F

212º F

100º C

80º F

26,6º C

48º F 32º F

X = 26,6ºC

212º F

100º C

32º F

0º C

0º F

-17, 7°C

100° C X

72º F 32º F

72º F 40º C 72 + 32 = 104º F

Convertir 0° F a ° C

212º F

0º F

0º C

l

UNIDADES DE CALOR. Para establecer una unidad de calor hace falta considerar 3 factores de los cuales depende el aumento de temperatura de un cuerpo. 1. Cantidad de calor. 2. La masa del cuerpo. 3. La naturaleza de la sustancia.

l

CALORÍA. "La cantidad de calor necesaria para elevar 1°C a 1 g de agua".

TEMA 3 TEORÍA ATÓMICA DE DALTON Es la teoría más importante ya que Dalton fue el primero que utilizó la palabra átomo en 1803; esta teoría tiene 4 postulados: l

Los elementos están constituidos por átomos (son partículas separadas e indivisibles).

l

Los átomos de un mismo elemento son iguales en su masa y en sus propiedades.

l

Los átomos de elementos diferentes son diferentes en masa y en sus propiedades.

l

Los compuestos se forman por átomos de diferentes elementos en una relación de números enteros sencillos.

Concluye diciendo: los átomos de un compuesto son siempre iguales en masa y en todas sus propiedades. Ej. CO3Na2 (Dalton todavía no empleaba el término molécula y entonces llamaba átomo de CO3Na2 a lo que hoy es molécula de CO3Na2). Modificaciones de la teoría. Con el avance de la ciencia estos postulados han tenido que modificarse, por ejemplo: ya no se considera al átomo como una partícula indivisible, puesto que está formada por protones, electrones, neutrones, etc; también el descubrimiento de isótopos nos dice que un mismo elemento puede tener diferente masa, ejem.: C12 y C14. Estos cambios perfeccionan la teoría y no la invalidan. Átomos, moléculas y Principio de Avogadro. El primero en utilizar el término "molécula" fue Avogadro: "Pequeñas moles". Para establecer que era una molécula, estudió los gases y observó que los átomos estaban en grupos de 2 en 2, de 3 en 3, de 4 en 4, etc; físicamente separados y a cada uno de estos grupos los llamó mol o molécula, entonces dio los conceptos de átomo y molécula. Átomos. Son las últimas unidades que intervienen en las reacciones químicas. Moléculas. Conjuntos o agregados de átomos físicamente separados que integran los gases. En las reacciones químicas las moléculas tienen que abrirse y dejar en libertad a los átomos para que se unan de otra manera. 75

Estudio del átomo. Dalton y otros personajes definían a los átomos como entidades imaginarias que agrupadas constituyen cuerpos; esto duró hasta 1898 ya que los esposos Curie descubrieron la radioactividad por lo que el término imaginario se cambio a real, entonces decimos que: átomo son entidades reales que agrupadas constituyen los cuerpos. Se vió que eran entidades complejas y así se descubrió el núcleo atómico; se observó también que el diámetro del átomo es de 2 a 5 A (Amstrong). A =10 -8 cm = 0,00000001 cm 1cm = 108A = 100.000.000 A. Entonces un Amstrong es la cien millonésima parte de un centímetro. En cada átomo hay un núcleo y uno o más electrones, de aquí resulta otra definición de átomo: "Átomo es una partícula que está formada por un núcleo y uno o más electrones".

Núcleo y electrones del átomo. En el núcleo del átomo se encuentra casi toda la masa del átomo, el núcleo presenta carga positiva; esto fue establecido por Rutherford quién descubrió el núcleo. Rutherford tomó una lámina metálica bien delgada de oro con un espesor aproximado de 5000 A; esta lámina de oro la bombardeó con partículas alfa (núcleos de helio); observó que cuando las partículas alfa chocaban con los electrones del átomo no se desviaban; si chocaban a los lados

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BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

tampoco se desviaban, pero sólo de 1000000 de partículas alfa una se desviaba y el resto seguía su dirección rectilínea; si se empleaba 2 láminas de oro sólo se desviaban 2 partículas alfa, etc. Rutherford por lo tanto llegó a la conclusión de que la masa del átomo estaba concentrada en una pequeña parte a lo que llamó núcleo. El diámetro del núcleo es igual a 10-4 A, es decir, igual a 10-12 cm. Los electrones tienen igual diámetro, tiene carga negativa, sin embargo los electrones no se juntan alrededor del núcleo que es positivo, porque están girando alrededor del núcleo de tal manera que la fuerza centrífuga debe ser igual a la de atracción. Si la fuerza centrífuga fuera mayor a la de atracción, el átomo fuera más grande cada vez, si la fuerza de atracción fuera mayor a la centrífuga, el átomo fuera más pequeño cada vez, como el volumen del átomo se mantiene entonces tiene que cumplirse Fc = Fa. La velocidad con la giran lo electrones hacen que éstos ocupen todo el volumen, por lo tanto el átomo en su mayor parte es vacío; tenemos la siguiente frase: "En el universo reina un vacío casi absoluto". El núcleo es la 10 milésima parte de su átomo; en todo átomo el número de cargas positivas del núcleo debe ser igual al número de cargas negativas de los electrones, debido a que la materia eléctricamente es neutra. Cada electrón gira en su órbita, sin embargo cuando al electrón se le da una cantidad fija de energía llamada CUANTO, el electrón pasa de una órbita a otra.

Electrones Órbita Núcleo

Corona (conjunto de órbitas llamada también corteza o envoltura atómica)

Átomo según el modelo de RUTHERFORD

El Cuanto de energía que desprende un electrón cuando regresa a su órbita constituye el rayo láser. Se vió que el modelo atómico de Rutherford no es exacto, porque los orbitales no son concéntricos sino elípticos, pero se lo emplea por razones didácticas.

Para obtener el número de electrones de cada órbita se tiene la fórmula 2N2 (N = # de órbita) Ejemplo: 2x1=2

2 x 22 = 8

2 x 32 =18

2 x 42= 32

Esta fórmula es aplicable hasta la 4ta. capa y luego regresa progresivamente. La última capa debe tener máximo 8 electrones.

Estructura del átomo. En el átomo se encuentran partículas elementales y subatómicas. Dentro de las partículas elementales tenemos: l

Representación de las órbitas

Protones: tienen carga positiva y están en el núcleo. 77

l

l

Neutrones: sin carga y se encuentran en el núcleo.

átomo más se desarrolla la Química y cada vez se descubren más partículas.

La unión de protones y neutrones constituyen el nucleón, cuando se unen 1 protón y 1 neutrón se forma un nucleón.

Un átomo debe representarse de la siguiente forma:

Electrones: tiene carga negativa y estos se encuentran rodeando al núcleo, se re p re s e n t a así (e-).

l

Símbolo: indica el elemento.

l

Número atómico: ubicado a la izquierda del elemento (símbolo) e indica el número de protones del átomo.

l

Peso atómico: es un número ubicado a la derecha del símbolo y está dado por la suma de protones más neutrones.

Las partículas subatómicas son: l

Positrón: tiene carga positiva de allí su nombre; tiene la misma masa del electrón, es decir ,insignificante, sólo en cuanto a masa. Se representa así: e+, se lo llama también electrón nuclear porque está en el núcleo. Si se tiene un neutrón y se le agrega un positrón lo que se obtiene es un protón. Neutrón + positrón → protón Si se tiene un protón y se le quita un positrón se obtiene un neutrón. Protón – positrón → neutrón.

l

Mesotrón: tiene una carga positiva y una negativa y la masa es de 2 a 7 veces la masa del electrón.

l

Antiprotón: tiene carga negativa.

l

Antineutrón: sin carga.

Estas partículas son las más importantes pero no son las únicas, mientras más se va conociendo del 78

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

Nº (peso atómico)

S Nº (número atómico) 40 20 Ca

23 11 Na

Ejemplo: 20 Ca 40 indica que el calcio tiene 20 protones y 20 neutrones; 11 Na 23 indican que el sodio tiene 11 protones y 12 neutrones. Del peso atómico resulta lo siguiente: "Que el peso efectivo es menor siempre al peso teórico". Esto se debe a que todos los átomos gastan algo de su masa al empaquetarse, ya que parte de esta masa se convierte en energía llamada energía de empaquetamiento. Los elementos que más diferencia tienen son los que han gastado más masa para empaquetarse y son muy esta-

bles porque están bien empaquetados; también son los más abundantes en la naturaleza y sobre todo suelen ser los que tienen número par: 20 Ca 40; 8 O 16. Esto fue estudiado por Einstein quien estableció la fórmula E = m x c2.en donde: E = energía de empaquetamiento m = masa c = velocidad de la luz Esta fórmula es el fundamento de las armas nucleares. Hay otros elementos que gastan poca masa para empaquetarse, utilizan poca energía de empaquetamiento por lo que son inestables y se desintegran emitiendo partículas, esos son los elementos radioactivos, Ej.: fósforo, radio, radón. Las partículas que emiten son de 3 tipos: Alfa (α). Son núcleos de helio, es decir están formadas por 2 protones y 2 neutrones. Tenemos el ejemplo del radio que pierde una partícula alfa y se convierte en radón. 88 Ra 226 - alfa → 86 Rn 222 Siempre que un elemento cambia su número atómico se convierte en otro. En general: "Cuando un elemento pierde una partícula alfa pierde 2 unidades en el número atómico y 4 unidades en el peso atómico". Beta (β) Es un positrón (e+). Tenemos el ejemplo del fósforo que se convierte en silicio. 15 P 30 – beta → 14 Si 30

En general, "Cuando un elemento pierde una partícula beta, pierde una unidad en el número atómico, pero el peso atómico se mantiene". Gama (γ). No tiene carga eléctrica; éstas no son propiamente partículas pero tienen un gran poder de penetración, en general "Cuando un elemento pierde una partícula gama, el peso atómico y número atómico no se alteran". Los cuerpos incandescentes como las estrellas, convierten todo el tiempo su masa en energía (luz). Isótopos. Son elementos cuya diferencia está en el número de neutrones; es decir, un átomo de un elemento puede tener más neutrones que otro átomo del mismo elemento. Ejemplo: 15 P 30 (fósforo) (15 protones y 15 neutrones). 15 P 32 (fósforo radioactivo) (15 protones y 17 neutrones). Estos elementos radioactivos se utilizan en medicina para conocer el metabolismo intermedio de muchas substancias, así como también en el diagnóstico y en la terapéutica.

SÍMBOLOS, FÓRMULAS, ECUACIONES Símbolos. Lo primero que había que hacer con los elementos que se descubrían, era nombrarles.

79

Este nombre provenía de diversas maneras a veces según el país en donde se había descubierto y otras según alguna propiedad, así: País: francio Propiedad: bromo por fétido Hidrógeno: de hidro y geno (genera H2O)

TEMA 4 ESTUDIO DE LA TABLA PERIÓDICA

Incluso ha habido nombres primitivos como Au, Ag, etc. Una vez que se dio el nombre se vio que esto no era suficiente, porque las reacciones serían muy largas de representarlas y no se podía dar cuenta de lo que pasaba en la reacción por lo que a los elementos se les puso símbolos.

Una vez que se tenía la forma de establecer los nombres y los símbolos de los elementos, había que ordenarlos. El primero que intentó ordenar los elementos fue Dobereiner mediante triadas; el tomó 3 elementos parecidos y observó que el elemento de la mitad tenía un peso intermedio entre los 2, siempre que los elementos sean químicamente análogos.

Con los símbolos nos damos cuenta de la naturaleza de la trasformación, es decir, que es lo que ha acontecido en la reacción química.

Li Na K

=7 = 23 = 39

→ peso intermedio

Antiguamente se utilizaron símbolos artificiosos. Pero estos signos no tenían sentido por lo que Dalton los modificó y utilizó siempre círculos con algún distintivo dentro.

Ca Sr Ba

= 40 = 87,6 = 137

→ tríada

Cl Br I

= 35,5 = 78 = 127

→ tríada

La nomenclatura moderna se debe a Berzelius el cual utilizó la primera letra del nombre en latín del elemento o la primera y la siguiente si 2 o más elementos empezaban por la misma letra. Fórmulas. Vienen de la unión de símbolos acompañados de subíndices que nos dan el número de átomos de cada clase. La fórmula involucra o representa el peso.

Entonces el logró obtener 20 triadas.

Luego Newlands propuso las octavas; él ordenó los elementos en forma creciente a sus pesos y observó que las propiedades iban cambiando lentamente. Li 7

80

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

Be 9

B 11

C 12

N 14

O 16

F 19

Al llegar al octavo elemento observó que este sufría un cambio brusco y se parecía al primero en sus propiedades, así: Li 7

Be 9

B 11

C 12

N 14

O 16

F 19

Na 23

Mg 24

Al 27

Si 28

P 31

S 32

Cl 35,5

Pero al llegar al escandio, observó que este no tiene las propiedades parecidas al boro y aluminio y después del calcio tenían que introducirse 10 elementos diferentes para llegar al galio: Li

Be

B

C

N

O

F

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

K

Ca

Ga 10 elementos

Por lo tanto lo de las octavas no era válido porque solo había 2 octavas. Luego vino Mendelejew quién empezó a ordenar los elementos en forma creciente a su peso y las propiedades cambiaban lentamente, esas propiedades son cuatro: 1. Carácter electroquímico: partía de un elemento muy positivo (Li) y gradualmente se llegaba al elemento más negativo (F). Li +

Be +

B +

C +/-

N -

Na (ya es fuertemente positivo) +

O -

F -

2. La valencia positiva va aumentando gradualmente. Na 1

Mg 2

Al 3

Si 4

P 5

S 6

Cl 7

3. La valencia negativa va en forma creciente algebraicamente, así: C -4

N -3

O -2

F -1

4. El peso específico y el volumen atómico aumentan lentamente. Con estas características hizo su tabla, la diferenció en períodos que no eran de la misma longitud. Eran 2 períodos cortos de 7 y 3 períodos largos de 17. Al período largo lo dividió en 2 semiperiodos, los primeros elementos eran del grupo A y los 7 últimos del grupo B y los del centro eran del grupo 8, así: GRUPO A ---------------------

8 -------

GRUPO B ---------------------------

Pero 25 años después se descubre el neón el cual hecha a perder la tabla ya que este tenía que ubi-

81

carse en donde está el sodio y todos tenían que correrse un puesto, lo cual trajo contrariedad a Mendelejew pero, al descubrirse otros elementos que tenían las mismas características, tenían que colocarse entre el fin de un período y el principio de otro. El argón, kriptón, xenón, radón, helio eran gases y tenían valencia cero (8 electrones en la última capa), es decir, estos no ganan ni pierden electrones por lo que se les ubicó en el grupo cero de la tabla y se los llamó gases nobles.

l

NH3: el nitrógeno tiene valencia 3.

l

H2O: el oxígeno tiene valencia 2.

l

PO4H3: PO4HCa (Se observa que el calcio tiene valencia 2). PO4H2Na (Se observa que el sodio tiene valencia 1). PO4Al (La valencia del aluminio es 3, por que reemplaza a 3 hidrógenos).

¿POR QUÉ LOS ÁTOMOS TIENEN VALENCIAS?

TEMAS 5-6 NOMENCLATURA Para poder conocer la nomenclatura inorgánica se necesita de conceptos como:

Los electrones de encuentran distribuidos en "órbitas". El número de electrones de cada órbita es variable, conforme se revisó antes, siendo 8 el número máximo de electrones en la última capa.

Es el número de átomos de hidrógeno con los que se puede combinar o a los que puede reemplazar un elemento. Ejemplo:

Vista la distribución electrónica de los distintos elementos, resulta que solamente los gases nobles tienen 8 electrones en su última capa, lo que les da una gran estabilidad, siendo su valencia cero.

Si se pone en contacto el cloro con el hidrógeno se forma HCl por lo tanto la valencia del cloro es 1 por que se combina con 1 hidrógeno.

Todos los demás elementos tienen entre 1 y 7 electrones. Si la última capa de elementos tienen más de 4, presenta una tendencia a captar electrones de otros elementos, hasta completar los 8, y tiene por tanto valencia negativa; en cambio

VALENCIA.

l

82

Todo átomo tiene un núcleo en el que están los protones (carga positiva) y alrededor del núcleo, se encuentran girando los electrones (carga negativa). El número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas.

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

los que tienen menos de 4 electrones, tienen tendencia a ceder estos a otros elementos (pierden su última capa) y son por lo tanto electropositivos; los que tienen 4 pueden ser electronegativos o electropositivos.

l

Ejemplo: el S tiene 16 electrones y 16 protones, si gana 2 electrones su valencia queda negativa, así:

Entonces lo que origina la valencia es: "la pérdida o ganancia de electrones, para completar 8 en la última capa o perder ésta". Ejemplo: el azufre tiene 6 electrones en su última capa y el sodio 1 electrón en su última capa. Es más fácil para el sodio perder ese electrón que ganar 7 electrones, entonces el azufre gana ese electrón y ya tiene 7 electrones en su última capa, el octavo electrón lo consigue combinándose a otro sodio. Finalmente, se observa que: todos los elementos tienen 8 electrones en su última capa. Esto se puede representar sencillamente así:

La valencia es negativa cuando el elemento gana electrones.

+16 -16

+16 -18

00

-2

l

El azufre es negativo porque es más fácil que gane 2 electrones a que pierda los 6 electrones de su última capa.

l

El sodio es positivo porque es más fácil que pierda 1 electrón a que gane 7 electrones en su última capa.

En resumen la valencia es un "negocio" de electrones de la última capa.

S + 2Na = SNa2 Clases de valencias: las valencias pueden ser positivas o negativas, según los elementos ganen o pierdan electrones. l

La valencia es positiva cuando el elemento pierde electrones.

TABLA DE LOS ELEMENTOS No metales: son malos conductores del calor y la electricidad. l

Ejemplo: el Na tiene 11 electrones y 11 protones, si pierde 1 electrón su valencia queda positiva, así:

l l

No tienen brillo. Son electronegativos Existen en los tres estados indistintamente, ejemplo:

+11 -11

+11 -10

Cl (gaseoso)

00

+1

Los no metales se clasifican en los cuatro grupos:

Br (líquido)

S (sólido)

83

HALÓGENOS Flúor Cloro Bromo Yodo

= = = =

-1 -1+1+3+5+7 -1-1+3+5+7 -1-1+3+5+7

ANFÍGENOS Oxígeno Azufre Selenio Teluro

= = = =

NITROGENOIDES

-2 -2+2+4+6 -2+2+4+6 -2+2+4+6

Nitrógeno Fósforo Arsénico Antimonio

= = = =

CARBONOIDES

-3+1+2+3+4+5 -3+3+5 -3+3+5 -3+3+5

Carbono = -4+4 Silicio = -4+4

Metales: son buenos conductores del calor y la electricidad. l l l

Tienen brillo. Son electropositivos. Todos son sólidos excepto el mercurio (líquido).

Los metales se clasifican en:

ALCALINOS Litio Sodio Potasio Amonio

84

+1 +1 +1 +1

ALCALINOTÉRREOS Calcio Estroncio Bario Radio

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

+2 +2 +2 +2

TÉRREOS Boro +3 Aluminio +3

TRANSICIÓN Plata Magnesio Zinc Cadmio Cobre Mercurio Oro Hierro Cobalto Níquel Plomo Estaño Platino Cromo Manganeso

+1 +2 +2 +2 +1+2 +1+2 +1+3 +2+3 +2+3 +2+3 +2+4 +2+4 +2+4 +2+3+6 +2+3+4+5+6+7

NOMENCLATURA

CLASES DE FUNCIONES

Es un conjunto de normas convencionales de uso universal, que se emplean para nombrar a los compuestos químicos. Todo compuesto se nombra con 2 palabras: l l

Genérica (ácido) Específica (sulfúrico)

Función óxido: viene de la unión de un metal con oxígeno. Se nombra con la palabra genérica óxido y luego el nombre del metal. óxido = Metal + Oxígeno Si el metal tiene 2 grados de oxidación (2 valencias) se emplea la terminación: oso para la menor e ico para la mayor valencia.

Exponente químico: o subíndice es un número pequeño que se coloca a la derecha del símbolo y nos indica el número de átomos de un elemento presentes en un compuesto. Ejemplo: SO4H2 (subíndice; 1.4.2.).

Na + O = → Na2O (Óxido de Sodio) Los Peróxidos se forman cuando 2 oxígenos se unen entre si (-O-O-). K - O - O - K→ K2O2 (Peróxido de potasio) H - O - O - H→ H2O2 (Peróxido de Hidrógeno)

Coeficiente químico: es un número que se coloca a la izquierda de la fórmula y nos indica el número de moléculas. Ejemplo:

La fórmula de los peróxidos no se simplifica. función anhídrido: resultan de la unión de un no metal con oxígeno.

3SO4H2 (coeficiente: 3) Función química: es un grupo de compuestos que reaccionan de forma parecida, tienen propiedades parecidas. Ejemplo: ácidos (todos son agrios).

Anhídrido hipo...........oso Anhídrido..................oso Anhídrido..................ico Anhídrido Per.............ico

valencia valencia valencia valencia

Halógenos 1 3 5 7

Anhídrido = No metal + Oxígeno Para nombrarlos se utiliza la palabra genérica anhídrido. Seguida del nombre del no metal con el prefijo Hipo o Per y la terminación oso o ico según el grado de oxidación (valencia) así: Anfígenos 2 4 6

Nitrogenoides 3 5

Carbonoides

4

Ejemplo: Cl +++++ + O = Cl2 O5 (anhídrido clórico) 85

Función ácido hidrácido: resulta de la unión de un no metal con Hidrógeno. El átomo de Hidrógeno siempre pierde un electrón por que su valencia siempre es + 1. Ácido hidrácido = No metal + Hidrógeno Para nombrarlos se utiliza la palabra genérica ácido seguida del nombre del no metal con la terminación hídrico.

Ejemplo: Sb2O5 + 2H2O→ Sb2O7H4 (ácido piroantimónico)

Ejemplo: F - 1 + H +1 → FH ( ácido fluorhídrico)

Entre estos compuestos son muy frecuentes los ácidos ORTO, por lo que cuando se refiere a estos se puede omitir el prefijo.

Los compuestos formados por la unión de carbonoides o nitrogenoides con Hidrógeno, no tienen las propiedades típicas de los ácidos. Se comportan de manera particular por lo que tienen nombres propios como por ejemplo: metano, amoníaco, fosfamina, etc.

86

Meta: si el anhídrido ha recibido una molécula de agua. l Piro: si el anhídrido ha recibido dos moléculas de agua. l Or to: si el anhídrido ha recibido tres moléculas de agua. l

Ejemplo: Ácido fosfórico equivale a decir ácido Ortofosfórico.

Función ácido oxácido: resultan de la unión de un anhídrido con una molécula de agua.

Función hidróxido: resultan de la unión de un óxido con agua en cantidad suficiente como para que en la molécula queden igual número de oxígenos e hidrógenos.

Ácido oxácido = Anhídrido + Agua

Hidróxido = Óxido + Agua.

Para nombrarlos se utiliza el mismo nombre el anhídrido pero cambiando la palabra genérica anhídrido por ácido.

Para nombrarlos se utiliza el nombre del óxido cambiando la palabra genérica a óxido por hidróxido.

Ejemplo: Cl2O + H2O → 2ClOH (ácido hipocloroso)

Ejemplo: Na2O + H2O→ NaOH (hidróxido de sodio)

Nomenclatura de los ácidos oxácidos de P, As y Sb: los anhídridos de P, As y Sb; pueden aceptar de una a tres moléculas de agua formando por tanto cada anhídrido tres ácidos que respectivamente se llaman:

También se puede decir que los hidróxidos están formados por un metal más uno o varios OH; así por ejemplo:

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Ca (OH)2 Hidróxido de calcio

FUNCIÓN SAL NEUTRA: resulta de reemplear totalmente los hidrógenos de un ácido por iones metálicos.

TEMA 7 ECUACIONES QUÍMICAS

Sal Neutra = Radical de ácido + metal. Para nombrarlos se utiliza el nombre particular del ácido cambiando la terminación: l l l

Hídrico por uro Oso por ito Ico por ato.

Ecuaciones. Se pueden escribir reacciones químicas o hablar de ellas, así: Ácido sulfúrico + Hidróxido de sodio → sulfato ácido de sodio + agua. Cuando se usan símbolos y fórmulas es una ecuación; es decir, la ecuación química es la representación de una reacción química mediante símbolos y fórmulas.

Ejemplo, Sulfito de sodio: SO3H2 + 2Na → SO3Na2 + H2 Pasos recomendados para escribir correctamente la fórmula: 1. La terminación del nombre particular nos indica el ácido progenitor. 2. Se escribe la fórmula del ácido partiendo desde el anhídrido.

En una ecuación química hay 2 partes: "Substancias reaccionantes" (izquierda de la flecha) y, l "Productos de la reacción" (derecha de la flecha) l

Sustancias productos de reaccionantes → la reacción Ejemplo:

Ejemplo: SO2 + H2O → SO3H2 (ácido sulfuroso) 3. Se quita los hidrógenos a la formula del ácido obteniendo así el radical. Ejemplo: SO3= (radical sulfito) 4. Se intercambia las valencias del radical (# de H quitados al ácido) con las del metal, para neutralizar la fórmula; Ejemplo: SO3Na2

(sulfito de sodio)

Cl3Al + H2S HCl + S3Al2 (esta es una ecuación química) Como se ve la ecuación química no es más que una diferente agrupación de los átomos, es decir a la izquierda están agrupados de una forma y a la derecha de otra forma. Un ejemplo lo da nuestro organismo que al ingerir un almidón, en el interior se convierte en glucógeno; ambos tienen carbono, hidrógeno y oxígeno, pero agrupados de diferente manera. 87

El número de átomos de las sustancias reaccionantes y productos de la reacción tiene que ser siempre el mismo, es decir el mismo antes y después de la reacción para esto se iguala a la ecuación química con coeficientes (menos número de moléculas necesarias para que el proceso tenga lugar). Hay muchos métodos para igualar pero nosotros usaremos el de tanteo. Ejemplo: Cl3Al + H2S → HCl + S3Al2 2Cl3Al + 3H2S

6HCl + S3Al2.

Esta ya es una ecuación química completa y es una reacción cualitativa y cuantitativa porque ya se puede sacar pesos, así: 267 g + 102 g

219 g + 150 g.

Esto ya nos indica que si se coloca 102 g de ácidos sulfhídrico en 267 g de cloruro de aluminio se obtiene 219 g de ácido clorhídrico y 150 g de sulfuro de aluminio. No siempre se necesita escribir toda una reacción, hay 3 formas de escribir una ecuación en el caso del cloruro de plata tenemos: ClAg → sólido blanco insoluble. -

1. Cl + Ag + → ClAg (precipitado insoluble) Esta ecuación es solo cualitativa porque no se puede sacar pesos moleculares, ya que dice que cualquier cloruro al reaccionar con cualquier sal de plata se va a formar siempre cloruro de plata.

88

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2. ClNa + NO3Ag → NO3Na + ClAg 58,5 g + 170g → 85 g + 143,5 g Esta ecuación química es cualitativa y cuantitativa porque se puede sacar pesos y cantidades, ya se puede hacer cálculos como por ejemplo en el agua potable al agregar el nitrato de plata se formará el cloruro de plata porque el agua tiene cloro entonces se filtra, se seca el precipitado y se pesa. -

+

-

-

+

3. Cl + Na + NO3 + Ag → ClAg + NO3 + Na

Esta es una ecuación iónica que nos indica qué iones han quedado disueltos; y que son el NO3 + y el Na . Los iones son átomos o grupos de átomos que tienen carga eléctrica, se clasifican en 2 grupos: l l

Aniones: con carga negativa. Cationes: con carga positiva

Estos nombres vienen de los electrodos: Ánodo(+) Cátodo(-) Se observa que el cloruro de sodio que es un electrolito (se puede convertir en iones al disociarse), el cloro es anión porque se dirige al ánodo que es positivo y el sodio es catión porque se dirige al cátodo que es negativo. No todas las sustancias se disocian; por ejemplo: El C2H5OH no se disocia por lo tanto es un no electrolito.

Saber que productos se forman al realizar una reacción es imposible si no se sabe o especifica las condiciones en que la reacción se realiza, estas condiciones pueden ser: l l l

Todos estos factores influyen en una reacción; cada factor influye de diferente manera por lo que se va a formar diferentes compuestos razón por la cual si no se sabe las condiciones no se puede saber cual es el producto.

Presencia de catalizadores Temperatura Luz solar, etc

IGUALACIÓN DE ECUACIONES

1. Se tiene una muestra de ClNa y para saber la cantidad se le agrega NO3Ag y se obtiene 3,4g de ClAg ¿Cuantos meq. de ClNa había?

SPb + NO3H → (NO3)2Pb + NO + H2O + S 3SPb + 8NO3H → (NO3)2Pb + 2NO + 4H2O + 3S

Se forma ClAg si se filtra, se seca, y se pesa se obtiene 3,4g

Problemas basados en ecuaciones químicas: antes de realizar ejemplos sobre estos, es preciso conocer como determinar los equivalentes químicos:

ClNa + NO3Ag → ClAg + NO3Na ClNa = 58,5g ClAg = 143,5g

EJERCICIOS

El equivalente químico de un elemento se obtiene dividiendo su peso atómico para la valencia. l El de un ácido, dividiendo su peso molecular para el número de hidrógenos. l El de una base, dividiendo su peso molecular para el número de oxidrilos. l El de una sal, dividiendo su peso molecular para la valencia del metal multiplicada por el número de átomos del metal. l

Cada determinación se basa en una ecuación química así:

58,5g ClNa → 143,5g ClAg X → 3,4g ClAg X = 1,38g ClNa

1 meq → 0,058g ClNa X → 1,38 g ClNa X = 23,58 meq

2. Se tiene una muestra de ClNa y para determinar su cantidad se gasta 7,8g de NO3Ag. ¿Cuántos gramos de ClNa tenía la muestra? Hasta que vire el indicador. 89

ClNa + NO3Ag → ClAg + NO3Na NO3Ag = 170g ClNa = 58,5g 58,5g ClNa → 170gNO3Ag X → 7,8g NO3Ag X = 2,68g ClNa NOTA: este método se prefiere porque es más rápido que el primero ya que en el anterior hay que filtrar, secar y enfriar antes de pesar.

3. Se tiene una muestra Na(OH) y para saber que cantidad hay, se agrega 2,15g de PO4H3 ¿Cuantos meq de Na(OH) había? 3NaOH + PO4H3 → PO4Na3 + 3H2O NaOH = 120g PO4H3 = 98g 120g NaOH → 98g PO4H3 X → 2,15 g PO4H3 X = 2,63 1meq → 0,04g NaOH X → 2,63g NaOH X = 65,75 meq

4. El clorato de potasio se obtiene según la siguiente ecuación: KOH + Cl2 → ClO3K + ClK + H2O.

90

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

¿Cuántos gramos de KOH se necesita para obtener media libra de clorato de potasio? 6 KOH + 3Cl2 → ClO3K + 5 ClK + 3H2O KOH = 336g ClO3K = 122.5g 1 lb → 454g 0,5 lb → X X = 227g 336g KOH → 122g ClO3K X → 227g ClO3K X = 625,18g KOH 5. Se tiene 1cc de orina y para determinar ClNa se gasta 0,037g NO3Ag. ¿Cúantos milimoles por lt de ClNa tiene esa muestra? ClNa + NO3Ag → NO3Na + ClAg ClNa = 58,5g NO3Ag = 170g 58,5g ClNa → 170g NO3Ag X → 0,037g NO3Ag X = 0,012g 0,012g ClNa → 1cc X → 1000cc X = 12g ClNa/l 1 mol = 58,5g 1 mmol = 0,0585g 1 mmol → 0,0585g X → 12g ClNa X = 205,1 mmol/l

TEMA 8 GASES Presión Gaseosa: es la fuerza que ejercen las moléculas contra las paredes del recipiente, se mide en unidades de fuerza por superficie y depende del sistema que se utilice, así: P = F/superficie P = dinas/cm2 P = g o Kg/cm2 P = lb/pulgada2 Otra unidad es la atmósfera, (en mmHg), que es una medida de comparación de la presión que hay en cualquier lugar con la del aire atmosférico. Las moléculas de aire que chocan contra nosotros producen una presión. La presión atmosférica se mide con el barómetro, aparato ideado por Torricelli. l

En una cubeta se coloca Hg.

l

Un tubo tapado por un extremo se llena con Hg, el tubo está dividido en mm, y mide 1 metro.

l

Se invierte el tubo y se introduce el extremo abierto en la cubeta y se observa que el Hg baja en una parte quedando el vacío de Torricelli; no baja todo el Hg por la presión atmosférica que ejerce una fuerza sobre la superficie del mercurio en la cubeta.

sión disminuye. La presión depende de la altura, así: l

l l l

La presión en Cuenca estaría entre 430 mmHg y 600 mmHg y es 564 mmHg porque la altura es de 2600 m.

LEYES DE LOS GASES a. Ley de Boyle: relaciona como cambia la presión cuando cambia el volumen, a temperatura constante. Boyle tomó un tubo encorvado y colocó Hg y observó: A la presión de 1 atmósfera, el volumen era de 500cc, a la presión de 2 atmósferas el volumen era de 250cc; y a la presión de 0,5 atmósferas el volumen era de 1000cc. Entonces Boyle dio su enunciado: "A temperatura constante, presión y volumen son inversamente proporcionales". A temperatura constante el producto de la presión por el volumen es constante. l

La altura de la columna de Hg depende de la presión del aire. Sobre el nivel del mar cuando más baja es 740 mmHg y cuando más sube es 780 mmHg, entonces una atmósfera es igual a 760 mmHg. A medida que aumenta la altura, la pre-

1000 m de altura = columna se mantiene en 675 mm Hg 2000 m de altura = 600 mmHg 4500 m de altura = 460 mmHg 18000 m de altura = 50 mmHg

l l

PV = 1 atm. X 500 = 500 P´V´= 2 atm. X 250 = 500 P"v" = 0,5 atm. X 1000 = 500.

Entonces: PV = P´V´; esta fórmula es importante para calcular presión y volumen. 91

2. 10 lt. de un gas a 800 mmHg. ¿Cuál es la presión si el volumen es 500cc?

EJERCICIOS: 1. Si tengo 50cc de un gas a 1,3 at. de presión. ¿Cuál sería el volumen a 450 mmHg? 1 atm. → 760 mmHg 1,3 atm → X X = 988 mmHg

PV = P´V´ P = 800 mmHg V = 10.000 cc V´= 500 cc P´= X

PV = P´V´ P = 988 mmHg V = 50cc P´ = 450 mmHg V´= X V´=

PxV P´

=

P´=

988 mmHg x 50cc

P x V 800mmHg x 10.000cc = = 16000 mmHg V´ 500cc

= 109,7cc

450 mmHg

b. Ley de Charles y Gay-Lusac : esta relaciona como cambia el volumen cuando cambia la temperatura a presión constante. Todos los líquidos, sólidos y gases se dilatan cuando se calientan, pero estos no se dilatan iguales, cada sólido tiene su coeficiente de dilatación, igual ocurre con los líquidos. Esta es una gran diferencia con los gases, ya que estos se dilatan iguales, es decir, todos los gases tiene el mismo coeficiente de dilatación, por lo que se dio la ley que dice: 92

1 lt → 1000cc 10lt → X X = 10.000 cc

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

"Todos los gases se dilatan igualmente por los mimos grados de calor, de manera que su mayor o menor densidad, su mayor o menor solubilidad o su naturaleza no influyen en su dilatación". El coeficiente de dilatación de los gases que encontraron fue 1/266, es decir, por cada ºC aumenta o diminuye 1/266 el volumen. Luego se vio que ese no era el coeficiente exacto y que lo correcto era que por cada ºC de va-

riación, el volumen aumenta o diminuye 1/273, 16 pero se dice que el coeficiente es 1/273; al coeficiente de dilatación se le representa con el signo alfa (α), así:

Temperatura absoluta. Es el nivel térmico medido a partir del cero absoluto. Si tenemos 15 lts de un gas a 0ºC ¿Cuál sería el volumen a -237 ºC?

α= 1/273 Si tenemos 1 lt de gas a 15ºC y se caliente a 18ºC, vemos que aumenta el volumen, y este aumento va a ser de 3/273 de uno. Ejemplo: 1. 40 lts de gas a 17ºC. ¿Cuál será el volumen a 26ºC? V´= 40 lts + 9/273 (40) V = 40 + 1,31 = 41,31 l. La ecuación sería: Vo. = volumen inicial t = variación de temperatura, o sea en este caso es 9. - V´= Vo ± alfa tVo - V´= Vo (1± alfa t)

(se saca factor común)

- Vo - t1 - t2 -t

= 15 lts. = 0ºC = - 273ºC = 273ºC

V´ = 15 lts. – 273/273 273/273 = 1 V´ = 15 – 15 =0 lts. Se ve aquí que desaparece el estado gaseoso, es decir nunca se puede hablar de un gas a -273°C porque no hay, esto se debe a que siempre a esta temperatura la fuerza de atracción aumenta y es mayor a la de repulsión: se vuelve líquido y luego sólido. A esto se llama "0" absoluto, es decir, cero absoluto es igual a -273°C 100ºC

Cuando la temperatura disminuye tenemos:

10ºC

40 lt a 26ºC, ¿Cuál será el volumen a 17ºC?

0º C Si hay 10 líneas es que la T es 10° Absolutos

V´= 40 lts – 9/273 (40) (40) 9/273 = 1,31 V´ = 40 lts – 1,31 = 38,69 lts. De aquí sale el concepto de lo que es temperatura absoluta.

-273ºC Este 10°C es relativo porque sólo se tomó un compuesto; el agua. Se llama entonces temperatura absoluta la que se encuentra a partir del ce-

93

ro absoluto. Para establecer escalas se necesita un cero y una unidad, y entonces tenemos dos escalas porque hay dos unidades los °C y °F. l l

Escala Kelvin = cuando la unidad es el °C Escala Rankin = cuando la unidad es el °F

Se representa con T mayúscula para diferenciar de °C o °F, en los que se utiliza letra minúscula (t).

EJERCICIOS: 1. Encontrar el 0 absoluto en °R. 100°C → 180°F -273°C → X X = -491,4°F

l

Si tengo -20°C. ¿Cuánto será en Kelvin?

T°K = t°C + 273

100°C

-20°C + 273 = 253°K 273

0°C -20°C -273°C

253 LÍNEAS

2. Convertir la temperatura corporal en ºR. 100°C → 180°F 37°C → X X = 66,66°F + 32 = 98,6°F T°R = t°F + 460 = 558, 6°R

-491,4 + 32°F = -459,4°F Entonces: T°R = t°F + 460 t°F = T°R – 460

c. Ecuación combinada de los Gases. Une la ley de Boyle con la de Charles Gay-Lusac en una sola, es decir, trata de ver como cambia el volumen cuando cambia la presión y la temperatura:

94

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

a. Ley de Boyle: PV = P´V´ b. Ley de Charles Gay-Lusac: V´= Vo (1 + alfa t) Reemplazamos b en a y tenemos: PV = P´Vo(1 + alfa t)

Esta fórmula se puede hacer más simple así:

En esta fórmula tenemos que:

PV = PoVo (1 + 1/273 t) PV = PoVo (1 + t/273) PV = PoVo (273 + t)

P = Presión inicial V = Volumen inicial To = Temperatura final Po = Nueva presión Vo = Nuevo volumen T = Temperatura absoluta

273 T = 273 + t To = 273oK (o absoluto – de donde se parte) Entonces tenemos lo siguiente: T PV = PoVo To PVTo = PoVoT

EJERCICIOS 1. Se tiene 40cc de un gas a 30 ºC y 680 mmHg. ¿Cuál sería el volumen normalizado?. V = 40cc P = 680 mmHg T= 30ºC + 273 = 303 ºK Vo = ? To = 273 ºK Po = 760 mmHg PVTo = PoVoT PVTo

680 mmHg x 40cc x 273°K Vo = Vo = = 32,2cc PoT 760mmHg x 303°K

Esta ley se emplea para saber el volumen de un gas en "condiciones normales", a esto se llama volumen normalizado, condiciones normales son 0°C y 1 atm. El volumen de un gas no tiene sentido si no se dice a que presión y a que temperatura. Los volúmenes se tienen que comparar en las mismas condiciones.

2. Una persona tiene un volumen inspiratorio pulmonar de 1,78 l. En Cuenca, a una temperatura de 13°C. ¿Cuál sería el volumen normalizado? V = 1,78 lts Vo = ? P = 564 mmHg Po = 760mmHg T = 13ºC + 273 = 286ºK To= 273ºK

Vo =

PVTo 564 mmHg x 1,78 lts x 273ºK = = 1,26 lts PoT 760 mmHg x 286ºK

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TEMA 9 ÁCIDOS - BASES Y SALES Los ácidos pueden ser: Hidrácidos: no metal + H ( ClH – SH2) (no tienen O2 ) l Oxácidos: Anhídrido + H O (SO H ) 2 4 2 l

Todos los ácidos tienen hidrógeno. Entonces el primer concepto de ácido es: 1. Ácidos: van a ser todas las sustancias que tienen hidrógeno y que pueden ser sustituibles por metales. CH3 – CH3 (no hay como sustituir los H por lo tanto no es un ácido) Las bases vienen de un óxido con el agua y se forman un hidróxido: Na2O + H2O → 2NaOH CaO + H2O → Ca(OH)2 Las bases siempre van a tener el grupo OH, de aquí se obtiene el primer concepto de base. 1. Bases: son todas las sustancias que tienen grupos OH sustituibles por radicales.

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hidrógenos del ácido reaccionan con los OH de la base y forman una sal más agua. Unión de un anión + un catión: +

AH + COH → AC + H2O El número de hidrógenos del ácido debe ser igual a los OH de la base, para formar igual numero de moléculas de agua. Fuerza de Ácidos y Bases. Esta viene o depende del grado de ionización (convertirse en iones), es decir, mientras más se ioniza es más fuerte. De aquí sale el segundo concepto de ácidos y bases: 2. Ácidos: son todas las sustancias que al disociarse van a producir iones hidrógeno. -

+

AH → A + H

2. Bases: son todas las sustancias que al ionizarse dan oxidrilos. +

-

COH → C + OH

Un ácido es más fuerte que otro cuando se ioniza más, si se disocia en 98% es muy fuerte, si se disocia en un 50% es medio y si se disocia 3 ó un 2% es débil, es decir si se abren 2 moléculas y 98 no.

ClOH → Aquí por ejemplo no puede entrar un radical: bromuro o sulfato por el OH, por lo tanto no es una base.

El ácido cianhídrico es el más débil de los ácidos, pero el más tóxico, entonces la toxicidad no depende de la acidez sino del tipo de sustancia y su reacción con el cuerpo humano.

Las sales provienen de la unión de un ácido con una base, de una neutralización donde los

El HCl, NO3H, NaOH, KOH → Son muy fuertes porque están disociados en un 90% a 98% y

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

su fuerza se mide por un coeficiente de disociación alfa que va de 0 a 1, mientras más cerca de 1 es más fuerte; de los compuestos anteriores de alfa = 0,9-0,98

+

Ión Hidronio y su importancia. H2O = H + OH . Esto se escribe así por comodidad, pero no es exacto y lo que ocurre es que cuando chocan 2 moléculas de agua, un H de una molécula salta a la otra y forma:

El ácido acético (CH3-COOH) → se disocia en 1% y alfa es = 0,01, siendo entonces un ácido débil. Un ácido que tenga alfa = 0 ya no es ácido porque ya no se ioniza.

H2O+H2O → H3O + OH I I (hidronio) (oxidrilo)

Entonces se puede clasificar en 5 grupos de ácido; según su fuerza:

Iones hidrógeno no existen, hidronios si, porque siempre el H se junta al H2O.

l l l l l

Muy fuertes = ClH. Fuerte = SO4H2. Medio = FH. Débil = SH2. Muy débil = CNH.

En bases tenemos: l l l l l

Muy fuerte = NaOH. Fuerte = Ca (OH)2. Medio = AgOH. Débil = Metales pesados. Muy débil = Metales pesados.

Aparte de alfa es importante saber que hay una constante de disociación (K) que también nos indica la fuerza del ácido o la base. l l l l

K K K K

SO3H2 = 1,7 x 10-2 (+fuerte) CNH = 7,2 x 10-10 (OH)2Ca = 3,7 x 10-3 (+ fuerte) NH4H = 1,8 x 10-5

Esto viene en tablas.

+

-

Se comprueba esto por: ClO4H.H2O ClO4NH4 ClO4H30

(ac. Perclórico hidratado) (perclorato de amonio) (perclorato de hidronio)

Sus cristales se parecen mucho, por lo que se acepta que deba existir el ClO4H3O antes que el ácido perclórico hidratado. +

+

El ión H3O se parece al ión NH4 . El ión hidronio tiene importancia en el pH ya que muchas de las reacciones de nuestro organismo depende de + la disociación, si hay más H3O u OH .

TEORÍA GENERAL DE ÁCIDOS Y BASES +

Cuando se disocia el agua, sale un H3O y un OH y se obtiene el tercer concepto de ácidos y bases que dice: 3. Ácidos: son todas las sustancias que aumentan la concentración de hidronios. 97

3. Bases: son todas las sustancias que aumentan la concentración de oxidrilos. Ejemplos: -

+

H2O + HCl → H3O + Cl Es ácido porque aumentan los iones hidronio. +

-

Se vuelve ión hidrógeno y queda protón, es decir, ión hidrógeno o protón son iguales. En los ejemplos anteriores el HCl es un ácido porque pier+ de un protón. La diferencia entre agua y H3O está en un protón, el NH3 se comporta como base porque capta un protón y si perdiera el agua un hidrógeno se comportaría como ácido por ceder el protón.

H2O + NH3 → NH4 + OH Es una base porque aumentan los iones oxidrilo.

ELECTROLITOS ANFÓTEROS TEORÍA DE BRONSTED LOWRY Es una de las teorías más exactas, de aquí se obtiene el cuarto concepto de ácidos y bases:

Anfolitos, buffer, amortiguadores, anfóteros son lo mismo, estas son sustancias que actúan como ácido y base y permiten que no cambie el pH en el organismo o que cambie en una forma leve y que luego regrese a una forma normal.

4. Ácidos: son todas las sustancias capaces de ceder protones.

Ejemplo:

4. Bases: son todas las sustancias capaces de recibir protones.

Al (OH)3 es un anfótero que puede disociarse así: OH-

El protón es un átomo de hidrogeno que ha perdido un electrón.

Al+++ OH-

actúa como base porque da oxidrilos y acontece esto cuando esta frente a un ácido

OH-

+1 H+ AlO3 Representación del átomo de hidrógeno 98

BIOQUÍMICA. CURSO PROPEDÉUTICO

H+ H+

se disocia así frente a una base para poder formar H2O y formar el ion aluminato

Existe un caso que se disocian igual como ácido y como base, y se llama punto isoeléctrico. Por ejemplo, el punto isoeléctrico del Al (OH)3 es + 10-11 iones H /l. que es una constante que viene en tablas.

+

pH = - log [H3O ] = - log 10-5 = 5 Luego el pH ácido va de 1 a 7 y el básico será de 7 a 14. Así entonces en la orina (pH= 6,5) hay más iones hidronio que oxidrilo, al contrario que en la sangre (pH= 7,25).

POTENCIAL HIDRÓGENO (pH) +

Reacción de disociación: 2H2O → H3O OH. + Estos iones hidronio (H3O ) y oxidrilo (OH ) son los responsables de equilibrio ácido-base y del pH ya que: +

TEMA 10

-

[H3O ] [OH ] = 10-14 Cuando una disolución es neutra la concentración de estos dos iones es la misma por lo tanto: +

-

[H3O ] = [OH ]=10-7 Cuando una disolución es ácida predominan los + + iones [H3O ]: [H3O ]>[OH ]; por lo tanto + [H3O ]>10-7, por ejemplo: 10-6. Cuando una disolución es básica predominan los iones [OH ]: [H3O ]