Biologia - Composición y Organización de los Seres Vivos

Capítulo

3

Composición y organización de los seres vivos

La célula es la unidad estructural, funcional y de origen de todos los seres vivos. Los seres vivos más simples están formados por una célula; en cambio, los más complejos están formados por miles o millones de células.

Al leer este capítulo aprenderás a:

Reconoce los elementos químicos presentes en los seres vivos según su abundancia.

Diferencia las moléculas orgánicas según su tipo y función.

Conoce los diferentes niveles de organización en los seres vivos.

54

Capítulo

3

LECTURA Los elementos básicos de nuestro cuerpo Hoy la información de la composición química de nuestro cuerpo se conoce con un detalle impresionante, tenemos 19,37% de carbono, 9,31% de hidrógeno, 62,81% de oxígeno y 5,14 de nitrógeno; y no se diga de las grandes macromoléculas como las proteínas que están en un 18%, los lípidos en un 10%, los carbohidratos en un 5% y iones en 2%. Además las investigaciones nos han llevado a descubrir el rol de cada componente que ingresa a nuestro cuerpo como por ejemplo saber que las grasas insaturadas son más sanas que las saturadas, que los vegetales no contienen todos los aminoácidos esenciales que requerimos, que el calcio no solo es básico para los huesos sino para sino para la plasticidad neuronal reque-

rida para el aprendizaje y el transporte en membrana y que el hierro no solo favorece la oxigenación del cuerpo sino que es básico para la formación de nuevas neuronas. ¿Qué se busca con toda esta información? ¿Qué deberíamos hacer cuando se sabe todo esto? Pero a pesar de ello, las recientes publicaciones en torno a la incidencia de sobrepeso y obesidad en el Perú muestran un incremento de un 80% en los últimos años, siendo mayor en hombres con un 26% que en mujeres con un 24%. Esto ha provocado una puesta en marcha de numerosos estudios y proyectos nutricionales donde la educación nutricional representa un elemento clave y que debe llevar a un cambio de comportamiento.

Analiza y responde • ¿Consideras importante conocer la composición química de nuestro cuerpo? ¿Cómo te ayudaría a mejorar tu calidad de vida?

• ¿Qué piensas que deberías hacer desde tu colegio con esta información?

• ¿Es una motivación a seguir aprendiendo e investigando sobre este tema?

Esquema del capítulo COMPOSICIÓN Y ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS

Organización molecular

Elementos biogenésicos

Niveles de organización de la materia viva

Biomoléculas orgánicas

Molecular Celular

Carbohidratos Grupo celular Lípidos

Ácidos nucleicos

Proteínas

Organismo Población Comunidad Ecosistema

Enzimas Biosfera

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3.1 Composición química de los seres vivos La composición química de los seres vivos ha estado condicionada, tanto por la disponibilidad de los materiales en el medio ambiente, como por las propiedades especiales de algunos átomos y moléculas que pueden realizar funciones específicas en los procesos de la vida.

Habíamos visto en el capítulo 2 que los denominados elementos biogenésicos son aquellos elementos químicos que forman parte permanente de los seres vivos. Cuando se compara cualitativa y cuantitativamente los elementos que entran a formar parte de la materia viva y de la corteza terrestre, se encuentran bastantes diferencias que pueden explicarse, al menos, parcialmente, teniendo en cuenta algunas consideraciones esencialmente químicas.

De los más de 100 elementos químicos existentes, sólo unos 20 se encuentran en los seres vivos y en distinta concentración, tal como se muestra en la tabla 3.1: Tabla 3.1: Algunos elementos químicos presentes en los seres vivos ELEMENTOS

CORTEZA TERRESTRE (%)

SISTEMAS VIVOS (% en peso)

Oxígeno (O)

49,5

65

Carbono (C)

0,08

18,5

Hidrógeno (H)

0,87

9,5

Nitrógeno (N)

0,03

3,3

Calcio (Ca)

3,39

1,5

Fósforo (P)

0,12

1,0

Potasio (K)

12,29

0,9

Otros

33,72

0,3

Comprueba tu aprendizaje • Con los datos entregados en la tabla 3.1, realiza una gráfica de barra comparativa.

• Investiga y recuerda los conceptos de: anión y catión.

De acuerdo a la abundancia de los elementos en los seres vivos, los elementos químicos se clasifican en: macroelementos, microelementos y oligoelementos. En el capítulo anterior se revisó su ubicación y las especies características para cada uno de ellos. En este capítulo, aprenderás acerca de la función de ellos: Sodio (Na): es un catión extrace-

lular que participa en la regulación de la presión osmótica. Además genera, conduce y transmite el impulso nervioso en la neurona.

Interviene en el transporte activo a través de la membrana.

Potasio (K): es el más importante catión intracelular, par-

ticipando en la contracción muscular y en la generación del impulso nervioso. Interviene en el transporte activo a través d la membrana. Regula los fluidos corporales.

56

Capítulo

3

Magnesio (Mg): es el constituyente principal de la

clorofila (pigmento fotosintético). Además es uno de los catalizadores de más de 300 actividades enzimáticas y esencial para el funcionamiento de los nervios y músculos.

Calcio (Ca): forma parte de tejido de huesos y dien-

tes, participa en la coagulación sanguínea y en la contracción muscular. Participa en el transporte a través de la membrana y en la regulación del impulso nervioso.

Hierro (Fe): Constituyente

de la hemoglobina (molécula transportadora de oxigeno).

Cobalto (Co): forma parte de vitaminas como la

vitamina B12 encargada de formar glóbulos rojos en la sangre.

Yodo (I): es el elemento más importante en animales

superiores. Forma parte de hormonas tiroideas como la tiroxina y la triyodotironina “T3” producidas por la glándula tiroides.

Nitrógeno (N): componente básico de la proteínas,

pues forma parte de sus aminoácidos. Se encuentra en forma molecular (N2) formando parte del aire.

Está presente en compuestos como nitrato de potasio (KNO3), más conocido como salitre. y nitrato de sodio. El rol biológico destaca principalmente en el ciclo del nitrógeno, el cual permite que el nitrógeno sea asimilado por los seres vivos mediante una serie de procesos como: • Fijación del nitrógeno: mediante bacterias Rhizobium en raíces, figura 3.1.

• Amonificación: conversión a amonio.

• Nitrificación: conversión a nitritos y nitratos.

• Desnitrificación: conversión de nitratos a nitrógeno atmosférico nuevamente.

Cloro (Cl): este anión

participa en la regulación de la presión osmótica.

Azufre (S): este elemento

forma parte de moléculas orgánicas complejas como aminoácidos y polisacáridos.

Fósforo (P): participa

en las reacción de de transferencia de energía bajo la forma de ATP y forma parte del tejido de huesos y dientes. Existe en tres formas alotrópicas, fosforo blanco, rojo y negro. Por ejemplo, el fósforo rojo se utiliza en la elaboración de las cerillas.

Hidrógeno (H): pese a que no es el elemento

más abundante de la corteza terrestre, su rol es fundamental porque se encuentra formando parte del agua y de hidrocarburos. Tiene la capacidad de combinarse con el carbono formando una gran variedad de compuestos orgánicos, con metales formando hidruros y con no metales formando ácidos como el HCl (ácido clorhídrico). Es el responsable de generar la gradiente energética para producir ATP en la respiración celular y la fotosíntesis.

Zinc (Zn): componente básico

de la insulina y enzimas del crecimiento y de la reproducción.

Forma parte de huesos y músculos.

57

Investiga En Internet 1. http://www.windows2universe.org/earth/life/ nitrogen_cycle.html/ lang=sp 2. www.youtube.com/watch Ciclo del nitrógeno • Investiga sobre el ciclo del nitrógeno y sus particularidades.

• Realiza un gráfico para explicarlo.

• Marca las diferencias con respecto al ciclo del carbono.

Carbono (C): Ya se mencionaron algunas características en el capitulo anterior.

Sin embargo, existen otras, como producir dióxido de carbono (CO2) a partir de la combustión de hidrocarburos. El dióxido de carbono es el compuesto fundamental para la realización de la fotosíntesis en los vegetales. De esta forma, el carbono se va ciclando en la naturaleza y pasando desde los seres vivos hacia la atmósfera y viceversa. En el ciclo del carbono, Figura 3.2, las plantas absorben el dióxido de carbono del aire para luego transformarlo en azúcares; estos azúcares serán consumidos por animales al ingerir los vegetales. Así los animales lo transforman en dióxido de carbono regresándolo al aire. Una de las características importantes de los átomos de carbono es que pueden establecer enlaces simples (-C-C-), dobles (-C=C-) o triples (-C=C-) con otros átomos de carbono lo que permite una serie de estructuras, como los lípidos saturados o insaturados que tiene propiedades distintas a pesar de contar con el mismo número de átomos de carbono.

Figura 3.2 Ciclo del carbono.

Comprueba tu aprendizaje • ¿Con qué elemento se relacionan las bacterias Rhizobium?

• ¿Con qué elemento se relaciona el salitre y los hidrocarburos?

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Evaluación del tema 3.1 1. Dibuja el ciclo del nitrógeno y el del carbono con los procesos más importantes.

2. ¿Cuál es el elemento más abundante y cuál es el menos abundante en la corteza terrestre?

3. ¿Qué ocurriría con un organismo si no existiera el sodio ni el potasio? Explica 3 consecuencias.

Capítulo

3

3.2 Biomoléculas Orgánicas Existen moléculas grandes en las células que se conocen como macromolécula, biomoléculas o polímeros. Las cuales se forman mediante un proceso conocido como polimerización, de ahí su nombre. Los polímeros se forman al unirse, a modo de eslabones de cadenas, moléculas más pequeñas conocidos como monómeros, los que pueden ser iguales o diferentes, ver Figura 3.3. Por ejemplo, el almidón es un polímero formado por cadenas largas de glucosa, monómero. La proteína es un polímero cuyo monómero es el aminoácido.

En el proceso de formación de un polímero, la unión de un monómero con otro produce la liberación de una molécula de agua, proceso llamado condensación. Cuando se da el proceso contrario, es decir, la liberación del monómero se requiere de incorporar una molécula de agua para que se rompa el enlace, proceso conocido como hidrólisis.

En el caso del almidón, cada vez que se une una glucosa a la cadena del almidón se liberará una molécula de agua (condensación). A la inversa, si se quiere liberar la glucosa, hará falta una molécula de agua (hidrólisis) Hidrólisis

Almidón

Hidrólisis

Monómeros

Polimerización

Polímero

Figura 3.3 Los monómeros.

H2O (agua)

Glucosa

Condensación

Condensación

Comprueba tu aprendizaje • ¿Cuáles son los 4 grupos más importantes de biomoléculas?

H2O (agua)

Sería muy difícil estudiar las millones de biomoléculas existentes sino se clasificarán en grupos. Los cuatro grupos de biomoléculas, que forman parte de los seres vivos son: carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas.

LÍPIDOS

CARBOHIDRATOS Monosacáridos

Glucosa Hidrólisis

Fructuosa Condensación

E

Glicerol

Ácidos grasos

Hidrólisis

Algunas además contienen nitrógeno (N) y otras a veces azufre (S).

E

Algunos contienen solo carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).

Polisacáridos

Todas las moléculas orgánicas contienen los elementos carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O).

La función biológica de las moléculas depende de su forma y estructura.

PROTEINAS

Condensación

Grasa

C

O

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

Algunas contienen además nitrógeno (N) y fósforo (P).

ÁCIDOS NUCLEICOS

Proteínas

Aminoácidos

P

P

Hidrólisis

P

Condensación

Hidrólisis

Condensación

Figura 3.4 Xxxxxxx xxxxxx.

59

Carbohidratos Son moléculas que poseen en su estructura carbono, oxígeno e hidrógeno en una proporción 1:2:1 y los seres vivos los utilizan como su principal fuente de energía. Las plantas y animales usan carbohidratos para sus propósitos estructurales. La degradación de los azúcares, como la glucosa, proporciona energía inmediata para las actividades celulares. Los seres vivos almacenan azúcar adicional como carbohidratos complejos llamados almidones. Cada gramo de carbohidrato proporciona 4 kilocalorías por gramo (16,8 kilojoules por gramo).

Figura 3.5 Xxxxxx xxxx

Las moléculas sencillas de azúcar también reciben el nombre de monosacáridos. En este grupo están los monosacáridos formados por 6 átomos de carbonos, hexosas, como la glucosa en la Figura 3.6 a); y aquellos formados por 5 carbonos, pentosas, como la ribosa en la Figura 3.6 b) y desoxirribosa componentes básicos de los ácidos nucléicos. Además de la glucosa, los monosacáridos incluyen la galactosa, componente de la leche; y la fructosa en la Figura 3.6 c), que se encuentra en muchas frutas. a)

b)

CH2OH 6’

5’

H

H

H

H 3’

OH

H

3’

2’

H

5’

H

H

2’

OH

H

CH2OH 1’

3’

2’

OH

OH

OH

Ribosa

Glucosa

O

CH2OH

1’

4’

1’

OH

OH

6’

OH

4’

O

HOCH2

O

H

c)

5’

H

OH

Fructosa

Figura 3.6 Monosacáridos formados por 6 y 5 átomos de carbono.

Existen una serie de oligosacáridos, formados por dos o tres monosacáridos unidos por un enlace llamada glucosídico, en cuya formación por condensación se pierde una molécula de agua. Los disacáridos más importantes son la sacarosa (glucosa unida a la fructosa), azúcar presente en la caña de azúcar y betarraga; la lactosa (galactosa unida a glucosa), azúcar de la leche, y la maltosa (glucosa unida a otra glucosa), azúcar de la malta.

Laboratorio ¿Cómo identifico el almidón y la glucosa?

Procedimiento

Analiza y responde

1. Coloca en dos tubos, uno A y otro B, maicena disuelta en agua caliente. En otros dos tubos, C y D, agrega glucosa disuelta en agua.

•

Si el lugol o el yodo da una coloración azul en presencia de almidón y la solución de Benedict una coloración verde amaríllenlo o naranja en presencia de glucosa. ¿Qué tubos tenían polisacáridos y qué tubos monosacáridos?

•

Podemos afirma que la solución de lugol es específica para detectar almidón y la de Benedict para identificar a la glucosa. Sustenta tu respuesta.

2.

Agrega una gota de lugol o tintura de iodo al tubo A y C. Agita y observa.

3. Agrega dos gotas de solución de Benedict a los tubos B y D. Agítalos y colócalos en un baño maría a 60°C por 10 minutos. Observa que pasa con la coloración.

60

Capítulo

3

Las plantas almacenan el exceso de azúcar en la forma de un polisacárido distinto llamado almidón. El almidón lo encontramos en las raíces, cereales, legumbres y semillas, principalmente, Figura 3.7.

Además, las plantas también producen otro polisacárido importante llamado celulosa cuya función es estructural. Las resistentes y flexibles fibras de celulosa, le confieren a las plantas fuerza y rigidez. La celulosa es un componente importante de la madera y el papel; por lo tanto, ahora mismo estás viendo celulosa.

Otro polisacárido de función estructural es la quitina que forma el exoesqueleto de los insectos.

Lípidos Son moléculas que poseen en su estructura átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque la cantidad de carbonos e hidrógenos es mucho mayor que la de oxígeno. Son las moléculas biológicas de mayor diversidad estructural y se caracterizan por ser no solubles en agua. Los lípidos almacenan energía; son el principal constituyente de la estructura de las membranas y actúan como mensajeros químicos (hormonas) y pigmentos. Cada gramo de lípido proporciona 9 kilocalorías por gramo (37,8 kilojoules por gramo).

Muchos lípidos se forman cuando moléculas de glicerol se combinan con ácidos grasos, para formar triglicéridos, como se muestra en la Figura 3.8. Si los átomos de carbono en las cadenas de ácidos grasos de un lípido se une a otro átomo mediante un enlace simple, se dice que es un lípido saturado porque los ácidos grasos contienen la máxima cantidad posible de átomos de hidrógeno; mientras que si un ácido graso contiene al menos un doble enlace entre los carbonos, es un lípido insaturado; si existe más de un doble enlace se reconoce como un lípido poliinsaturado.

Figura 3.7 Las papas y la yuca son tubérculos que almacenan almidón.

Composición molecular de una célula animal y una bacteria Composición molecular

Porcentaje de la masa de una célula animal

Porcentaje de la masa de una célula bacteriana

carbohidratos

5

3

Lípidos

10

2

Proteínas

18

15

Ácidos

1

7

2

3

65

70

nucleicos Otras moléculas y iones Agua

Los lípidos incluyen a las grasas, aceites, ceras, fosfolípidos y esteroides. Los lípidos pertenecen al grupo de grasas saponificables, porque mediante la aplicación de un hidróxido de sodio o potasio podemos hidrolizar los ácidos grasos del glicerol.

Observa

Los esteroides pertenecen al grupo de los lípidos no saponificables. Los esteroides cumplen funciones de regulación, como las hormonas sexuales y de activación como las vitaminas D, A, E y K. Algunos esteroides, como el colesterol, son componentes estructurales básicos de las membranas celulares en los animales y forman parte de la estructura básica de las hormonas sexuales. Los ácidos biliares también están en este grupo.

• ¿Qué macromolécula es la más abundante?

Glicerol H

C

OH

C

OH

H

C

OH

Investiga • ¿Qué crees que pasaría si nosotros almacenamos toda la energía como carbohidratos y no como lípidos? Explica

Ácido graso libre

H

H

• Haz un gráfico circular con los datos de la célula animal.

O-

+

Comprueba tu aprendizaje

O

• ¿Qué son los carbohidratos? ¿Cómo lo usan los seres vivos?

H

Triglicérido H H

C

H

C

H

C H

O O O O O O

Figura 3.8 Los lípidos más comunes son los triglicéridos, los que están formados por una molécula de glicerol y tres moléculas de ácidos grasos.

• ¿Qué son los lípidos y cuál es su función?

• ¿Qué diferencia hay entre un lípido saturado y uno insaturado?

61

Ácidos nucleicos

Base nitrogenada

Los ácidos nucleicos son macromoléculas orgánicas que contienen hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, carbono y fósforo.

Grupo fosfato

Los ácidos nucleicos tienen la función de almacenar y transmitir la información genética o hereditaria. Hay dos tipos: ácido desoxirribonucleico o ADN y ácido ribonucleico o ARN. Ambos son polímeros compuestos por monómeros individuales llamados nucleótidos, Figura 3.9. Los nucleótidos se componen de un grupo fosfato, un monosacárido y una base nitrogenada. A su vez, las bases nitrogenadas se dividen en:

Azúcar de 5 carbonos

Bases púricas o purinas: en ellas se encuentran la guanina (G) y la adenina (A).

Bases pirimidínicas o pirimidinas: en ellas se encuentran la citosina (C), timina (T) y uracillo (U).

• ¿Qué tipo de bases nitrogenadas presenta el ARN y ADN?

Conceptos clave Los nucleótidos Cumplen funciones básicas como la de transferir energía de los procesos metabólicos, como el ATP, participar en los procesos de transmisión de las señales químicas que llegan a la membrana celular, como AMP cíclico, o formar parte de la estructura de los ácidos nucleicos, como el ADN y el ARN.

El ADN humano posee 3 500 millones de nucleótidos y se organiza en regiones que codifican llamadas genes, aproximadamente entre 20 000 y 25 000; y regiones que no codifican.

ADN

ARN

O– –

O–

O P O 5`

O

4` C

Fosfato

Base

CH2

H

O H C

H C

C 3`

T

A

C

G Extremo 3´ D

D

A

P G

C

P D

C

G

P A

Extremo 3´

T

C

C

U

A

C

G Extremo 5´

P

P

P

Extremo 5´

HO

Polinucleótidos

2`

OH

P

P

D

H C

Purinas

D

HO

H

Pirimidinas

D

62

D

O

OH

D

Figura 3.10 Diferencias químicas entre ADN y ARN. Observa que las cadenas de ADN tienen desoxiribosa en su estructura y el ARN tiene ribosa. Así mismo, las dos cadenas de polinucleótidos que forman el ADN, además de ser complementarias, son antiparalelas.

H

Nucleótidos

BASES

T

4` C

Fosfato

Base

CH2

3`

H

P

Desoxiribosa (azúcar)

Purinas

Extremo 5´

5`

2`

OH

Pirimidinas

O P O O

1`

H

–

P

• ¿Qué tipo de monosacárido diferencia al ARN del ADN’

P

• Observa la figura 3.10 , ¿Cuántas cadenas de nucleótidos presenta el ADN y ARN?

La cadena de ADN se caracteriza por presentar dos cadenas de desoxirribonucleotidos que se enrollan en torno a un eje formando una hélice. En la unión ambas cadenas establecen enlaces de hidrógeno entre sus bases nitrogenadas. Las bases nitrogenadas de las purinas se enlazan con las bases de las pirimidinas, es decir A=T y G=C. Por esta razón , cuando se establece la alineación de las bases de una de las cadenas, se define automáticamente la secuencia de la otra.

P

Comprueba tu aprendizaje

La estructura espacial de los ácidos nucleicos varía de a cuerdo a diferentes criterios que se muestran en la Figura 3.10.

HO

Figura 3.9 Estructura de los nucleótidos.

R

U

R

G

R

C

R

A

Extremo 3´

H

1` Ribosa (azúcar)

Capítulo

3

Proteínas Las proteínas son macromoléculas formadas por O, C, H, N. Además pueden contener en pequeñas proporciones: azufre, fósforo, hierro y magnesio. Son polímeros formados por aminoácidos. Los aminoácidos reciben ese nombre ya que poseen en su estructura química un grupo amino (NH2) y uno carboxilo (COOH) libre (también llamado grupo ácido), Figura 3.11.

Aminoácidos H

H

a

C

H

C

H

Figura 3.11 Estructura del aminoácido. El radical, R, es el que cambia en cada aminoácido.

OH H

+

NH3

R

O

C

N

COO –

H

C H Alanina

La diferencia entre un aminoácido y otro está en el grupo radical que acompaña, llamado grupo R. El grupo R es el que determina el comportamiento de los aminoácidos en la solución: ácidos, básicos, polares (hidrofílicos), no polares (hidrofóbicos). Algunos pueden tener carbonos organizados en anillos.

Las instrucciones para organizar la secuencia de aminoácidos en muchas proteínas están contenidas en el ADN. De los más de 160 aminoácidos existentes en la naturaleza, sólo un poco mas de 20 conforman todas las proteínas de nuestro organismo.

Las proteínas tienen una diversidad de funciones como: regular los procesos químicos (enzimas amilasa, lipasa, catalasa, lactasa), transportar sustancias (hemoglobina, proteínas carrier), controlar el movimiento (actina y miocina) formar estructuras (colágeno y queratina), regular funciones (insulina y glucagón), reserva (caseína u ovoalbúmica) y proteger el cuerpo (anticuerpos).

Comprueba tu aprendizaje • ¿Qué son las proteínas?

• ¿Qué es un aminoácido?

Define y escribe su fórmula estructural.

• ¿Cuántos aminoácidos existen? ¿Todos forman proteínas?

• ¿Cómo se diferencia un aminoácido de otro?

Los aminoácidos, se unen a través de enlaces peptídicos, formándose en cada enlace una molécula de H2O (deshidratación o condensación), Figura 3.12. El enlace entre los aminoácidos es un enlace covalente.

La unión de 2 hasta 10 aminoácidos conforma un oligopéptido. Cada proteína posee una composición química definida, una secuencia ordenada y exclusiva de aminoácidos y un determinado peso molecular.

H2N

H

O

C

C

OH

+

R1

Aminoácido 1

H

H

H+N

C

COOH

R2

+

Aminoácido 2

H2N

H

O

H

H

C

C

N

C

R1

COOH

+ HO 2

R2

Dipéptido

+

Agua

Conceptos clave Aminoácidos esenciales El ser humano puede sintetizar doce de los veinte aminoácido que forman las proteínas de nuestro organismo. Los otros ocho deben ser ingeridos con la dieta, por eso son llamados aminoácidos esenciales y son: lisina, triptófano, treonina, metionina, fenilalanina, leucina, isoleucina y valina.

Investiga, ¿qué alimentos contienen los aminoácidos esenciales?

Figura 3.12 Unión de dos aminoácidos para formar un dipéptido.

63

(a)

Estructuras proteicas

b - laminar R

H N

C

C

C O

C

C

N H

R

H

N

R

C

H

H H H

C R

C

C O

R

O

N

C

H

H

O

N

C C

C

O

R

C

O

C

N

H

O

C R

C

N

O

H

C R

C

N C

O C

N

C

N

N

H N

C

N

O

C

C C

C

H

O

N C

C

C

C

H

OC H

H

C

C

H

O

O

C

O

O

H

H

N

C C

N

O

H N

Figura 3.13 En la estructura secundaria, los aminoácidos se unen a través de puentes de H formando una lámina plegada (a) o una hélice (b).

O H

O C

C

N

H C

C

La conformación o estructura tridimensional de una proteína, está dada por la siguiente organización de las cadenas de aminoácidos: Estructura primaria: corresponde al orden de aminoácidos en la cadena proteica. La estructura primaria de la proteína es la principal responsable de las propiedades físicas, químicas y biológicas de las proteínas.

Estas cadenas pueden ir de pocos aminoácidos a varios miles de ellos.

(b) H

Uno de los aspectos más importantes de la proteína es que para su funcionamiento biológico depende de su estructura tridimensional o espacial. Dicha estructura se puede comparar con los dientes de una llave que coincide con la forma de una cerradura, cualquier cambio en su estructura no permitirá que se abra la puerta. Esta estructura tridimensional depende de la secuencia de sus aminoácidos en la estructura final.

C O

N

Estructura secundaria: se refiere a la forma que puede adoptar la secuencia de amoniácidos, es decir un primer nivel de plegamiento.

La estructura secundaria de las proteínas es mantenida por puentes de Hidrógeno. Esta secuencia de aminoácidos puede adoptar 2 formas: lámina plegada β, Figura 3.13 (a), y helicoidal, Figura 3.13 (b).

Estructura terciaria: esta disposición plegada y compacta de la cadena polipeptídica determina una forma globular, como la mayoría de las enzimas y las inmunoglobulinas. Esta forma está estabilizada por puentes disulfuro (S-S) y por puentes de H. También existen interacciones iónicas, hidrofóbicas y otras. Cuando las proteínas alcanzan esta estructura son biológicamente activas, antes no.

Estructura cuaternaria: disposición en el espacio de 2 o más cadenas polipeptídicas que conforman una proteína. Estas interacciones son principalmente hidrofóbicas. Ejemplo: la hemoglobina está formada por cuatro subunidades, Figura 3.14.

Desnaturalización La desnaturación de una proteína se da cuando se produce la ruptura de los enlaces que le dan su forma, produciendose la pérdida de las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias y, por lo tanto, la proteína pierde su actividad biológica.

La desnaturalización es un proceso irreversible en la mayoría de los casos. Es causada por los cambios en el pH, la concentración de sales o la temperatura.

La siguiente gráfica muestra la temperatura óptima a cual trabaja la enzima tripsina aproximadamente a 38° C, aunque se puede observar un rango de acción óptimo entre los 37 y 41°C. Luego se ve una caída brusca de la actividad debido a la desnaturalización de la tripsina.

Figura 3.14 La hemoglobina presenta estructura cuarternaria formada por dos polipéptidos alfa y dos beta de 140 aminoácidos cada uno y en los que encontramos el grupo Hemo que contiene el hierro.

64

Capítulo

3

La función más importante que tienen las enzimas es la de ser catalizadores. Controlan la velocidad de las reacciones químicas, la secuencia de los procesos metabólicos y permiten que las reacciones químicas que nos mantienen vivos se cumplan con una baja energía de activación.

Las enzimas (E) ejercen su actividad biológica uniéndose a una determinada molécula llamada sustrato. Las enzimas producen cambios químicos, ya sea rompiendo, formando o redistribuyendo los enlaces del sustrato (S). El resultado de la acción enzimática es llamado producto (P1, P2). Por ejemplo, cuando la sacarosa, formada por la unión de la glucosa con la fructosa, ingresa al organismo la enzima sacarasa se une a esta rompiendo el enlace y liberando la glucosa y la fructosa (Figura 3.14).

Velocidad de la reacción (V)

Las enzimas

10

20

30

40

50

60

Temperatura (en C) o

Glucosa

P1

Sitio activo

E

+

S

E

S

E

+ P2

Fructosa Sacarosa

Figura 3.15 La enzima facilita la reacción, pero no forma parte del producto.

Sacarasa

Funciones de las proteínas Las proteínas presentan múltiples funciones, tales como: Forman parte de membranas, cápsulas virales, de estructuras de sostén, protección y

movimiento.

Forman parte de las nucleoproteínas (ADN + proteínas) que permiten el plegamiento

del ADN para formar los cromosomas. Son las histonas.

Presentan una función enzimática, catalizan las reacciones metabólicas como la

peroxidasa, la lipasa o la peptidasa.

Son una reserva energética, cada gramo de proteína aporta 4 kilocalorías (16,8 kJ/g)

como la ovoalbumina y la caseína.

Tienen una función hormonal, como la insulina, el glucagón, la adrenocorticotrópica,

la calcitonina.

Comprueba tu aprendizaje • ¿Qué diferencia hay entre estructura primaria, secundaria y terciaria?

• ¿Todas las estructuras de formación proteica son activas biológicamente?

• ¿Qué significa desnaturación?

• ¿Qué función cumplen las enzimas?

• ¿Qué supone actuar como un catalizador?

Presentan defensa inmunológica, forman parte de anticuerpos.

Ayudan en la coagulación sanguínea, formando parte de fibrinógeno y trombina.

Ayudan en la contracción muscular, formando la actina y miosina.

Regulan e influyen en la presión osmótica. Proteínas vinculadas con el transporte y la

presión osmótica como las proteínas carriers.

Permiten el transporte de Oxígeno: hemoglobina, mioglobina.

65

Laboratorio “Desnaturalizando proteínas”

Juicio Crítico

Procedimiento •

Echa la clara de huevo en el interior de un vaso con el alcohol.

•

Observa lo acontecido en el vaso por media hora.

•

Tapa el vaso y vuelve a observarlo al día siguiente.

Observar e Inferir ¿Qué forma adoptan las proteínas del huevo? ¿Qué factores hacen que las cadenas de las proteínas se desenrollen?

Comparar Puedes realizar un experimento similar utilizando una solución de salina, disolviendo sal de cocina en agua en lugar de alcohol.

Evaluación del tema 3.2 1. ¿En que se parecen los monómeros a los eslabones de una cadena?

2. ¿Qué es la polimerización?

3. ¿Por qué tipos de plegamiento pasan las proteínas? ¿Cuál es la estructura funcional?

4. Explica 3 funciones, que a tu juicio, son fundamentales en las proteínas.

5. ¿Qué son las enzimas? ¿Qué función cumplen?

6. Completa el siguiente cuadro comparativo: Biomolécula orgánica

Característica

Constituido por

7. Completa el siguiente mapa conceptual que muestra a estructura química de las macromoléculas.

MACROMOLÉCULAS

Todas están formadas por:

Algunas solo contienen C; H, O

66

Algunas además contienen N y S

Algunas además contienen N y P

Capítulo

3

3.3 Niveles de organización de la materia viva

Bacterófago T4

Desde siempre, el hombre ha buscado respuestas en relación a nuestra verdadera función en el universo, por lo tanto, es válido pensar que si somos parte de este universo somos parte de la materia viva existente, que es muy pequeña comparada con la del universo completo podríamos tener una función en ese sistema del que somos parte.

La biología como ciencia de la naturaleza estudia la materia viva de la cual somos parte e intenta colaborar en la solución o la búsqueda de resolver nuestras inquietudes como seres humanos.

Los organismos vivos presentan características muy importantes que no logran obser­ varse en la materia inanimada, una de ellas la constituye la organización compleja que presentan. Cuando hablamos de complejidad en los seres vivos nos referimos a que las moléculas se agrupan en estructuras altamente organizadas, las que a su vez forman los componentes celulares. Las mismas que asociadas con otras células forman los sistemas de un organismo.

Niveles de organización: la materia se organiza en niveles que van desde las partículas subatómicas hasta organismos complejos, los que a su vez forman comunidades que se relacionan unas a otras por el flujo de la energía y la materia. cada una de las partes que componen a los seres vivos cumplen una función determinada. En la tabla 3.2 se presentan los niveles de organización:

Tabla 3.2: niveles de organización Molécula

Grupo de átomos, unidad más pequeña de la mayoría de los compuestos. Por ejemplo: ADN, proteínas. Este nivel va desde la organización de los átomos, como la mínima cantidad de materia organizada, como el Carbono e hidrógeno, pasando por las moléculas, como el agua, hasta llegar a las macromoléculas como las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos.

Célula

Unidad básica, porque es la mínima porción de materia organizada capaz de cumplir con las funciones vitales como: reproducirse, crecer y desarrollarse, nutrirse, responder a estímulos del entorno y evolucionar. Por ejemplo: células epiteliales, las células nerviosas, las células bacterianas, el paramecium.

Grupos de células

Tejidos, órganos y sistemas orgánicos. Por ejemplo: tejido nervioso, cerebro, sistema nervioso.

Organismo

Organismo vivo individual formado por un conjunto de sistemas que trabajan coordinadamente. Por ejemplo: llama.

Población

Conjunto de organismos de una misma especie que se relacionan entre sí y que viven en la misma área. Por ejemplo: una manada de llamas.

Comunidad

Conjunto de poblaciones que viven juntas en un área definida. Por ejemplo: la comunidad de la puna: zorros, cóndores, pumas, tarucas, bosques de keñoa, rodales de puyas, pajonales e ichu.

Ecosistema

La comunidad de la puna tiene un ambiente de bajas temperaturas, se extiende entre los 3800 y los 6700 msnm, con vientos frios y secos, zonas de nieve permanente y terrno accidentado.

Biosfera

Capa de la Tierra que contiene todos los ecosistemas .

Euplotes

Figura 3.16 El bacterófago T4 es menos complejo a nivel celular que el Euplotes, un protista eucariota.

Figura 3.17 Aunque los dos animales de la imagen vivan en el mar, las esponjas son menos complejos que los delfines.

67

Comprueba tu aprendizaje • ¿Cómo definirías complejidad?

• ¿Qué relación conceptual existe entre biología – molécula – materia viva?

Los organismos unicelulares no presentan un nivel de organización Las bacterias y la mayoría de los protistas, como algunos hongos, son organismos unicelulares, es decir, esa única célula constituye el organismo. Por lo tanto, no forman tejidos, no órganos ni sistemas, pero pueden formar poblaciones o colonias y comunidades.

La biosfera

R FOTO MILLE X

R REEMPLAZA .JPG PROCARIOTA TRÉ.

N O (NO LA ENC O C FRANCIS )

Para comprender la relación entre la biosfera y los individuos, los ecólogos estudian las interacciones particulares que se dan entre los organismos y su entorno. Los organismos o especie se agrupan formando una población, que se caracteriza porque los individuos son similares y capaces de reproducirse entre ellos para producir descendencia. Las poblaciones que comparten un área común definida forman lo que sería una comunidad.

Los ecosistemas relacionan a la comunidad con las particularidades físicas del ambiente que habitan, como el clima, la humedad, el suelo, la luz, el agua, etc. También podemos hablar del bioma, como un nivel de organización que agrupa a un conjunto de ecosistemas que comparten el mismo clima y en las que predominan las mismas comunidades.

Finalmente, el nivel más complejo de organización, que contiene todos los ecosistemas o biomas sobre la tierra, la biosfera.

Evaluación del tema 3.3 1. ¿En base a qué criterio se ordenan los niveles de organización?

2. ¿Para qué crees tú es necesario ordenar a los seres vivos en niveles?

Figura 3.18 El Procariote más grande hasta ahora conocido llamado Epulopiscium fisheloni en comparación con un organismo eucariote.

3. Construye una lista con los niveles de organización desde el más específico al más general.

4. En qué nivel de organización ubicas: a) pulmón humano b) membrana celular c) hongos

d) proceso de respiración e) perro f) manada de elefantes

5. ¿Qué nivel de organización no presentan las bacterias y protistas? ¿Por qué?

Webquest: El ADN

tación oral para toda la clase. Para ello, realiza con el

El ADN es una molécula que forma parte de todos los seres vivos. Es una molécula que se caracteriza por tener una estructura característica en doble hélice, similar a una escalera de caracol.

Realizar una breve investigación bibliográfica sobre el ADN.

1.

En grupos de 4 alumnos realiza un trabajo escrito sobre el ADN, con una extensión máxima de 3 páginas con una letra a tamaño 12.

Preguntas 1.

2.

3.

4.

68

¿Qué es el ADN? ¿Cómo es la estructura química? ¿Cuál es su función? ¿En qué partes de la célula lo encontramos?

apoyo de soporte visual (PowerPoint o en todo caso transparencias). La duración máxima será de 10 minutos, y deberá estar repartido equitativamente entre todos los integrantes del grupo.

2.

Procedimiento

Una vez entregado el trabajo escrito, haz una presen-

Para realizar la investigación deberán recopilar información sobre: ¿Qué es el ADN?, ¿Cómo es su estructura química? ¿Cuál es su función? ¿En qué partes de la célula lo encontramos?

Páginas web de referencias

http://www.cienciahoy.org.ar/hoy08/adn.htm http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_desoxirribonucleico http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/tour/ http://www.mitareanet.com/colaboraciones/ADNyARN.htm http://aportes.educ.ar/biologia/nucleo-teorico/estado-del-arte/el-libro-de-la-vida-el-adn/ estructura_del_adn.php http://www.galileog.com/ciencia/biologia/adn/estructura.htm

Capítulo

3

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN “Extracción del polímero natural ADN”

Materiales:

1 plátano o verdura a elección

Introducción

1 tenedor

Champú o lavalozas

Sal de mesa (NaCl, cloruro de sodi

1 taza

Agua destilada

Alcohol (refrigerado previamente)

Papel filtro

1 pipeta

Como el ADN es un polímero natural que se encuentra en todas las células de los seres vivos, incluyendo por supuesto los vegetales, intentaremos extraer esta importante molécula a partir de una fruta o verdura.

Procedimiento Se va a preparar una solución de fruta tratada con sal, agua destilada y champú (o lavalozas). Si quieren pueden usar distintas frutas o verduras y así comparar el resultado final.

o)

a)

Muele bien el plátano pelado con un tenedor junto con una taza de agua destilada, hasta que se produzca una mezcla homogénea. No debes licuarlo para no romper el ADN.

b)

Disuelve dos pizcas de sal y una cucharadita de champú en 20 ml (4 cucharaditas) de agua destilada o llena la taza hasta 1/3, mezclando lentamente sin producir espuma. Puedes usar champú o jabón líquido de diferentes marcas para comparar la eficiencia de la extracción.

c)

Agrega a la solución preparada en el paso b, tres cucharas soperas bien llenas de la mezcla de plátano (u otra fruta) del paso a. Mezcla la solución con la cuchara por 5 a 10 minutos sin producir espuma.

d)

Coloca el filtro en una segunda taza. Dobla la orilla del filtro alrededor de la taza, para que el filtro no toque el fondo de la taza y el líquido se junte al fondo. Vierte la mezcla en el filtro y deja pasar la solución durante varios minutos hasta tener aproximadamente 5 mL de filtrado (que cubra el fondo de la taza).

Luego colócalo en un tubo de ensayo grande o en un vaso de vidrio transparente.

e) Coloca en un tubo de ensayo unos 50 mL de alcohol muy frío. Para mejores resultados el alcohol debe estar lo más frío posible. f)

Toma con la ayuda de una pipeta el alcohol frío y agrégalo a la solución de plátano lentamente, dejando que el alcohol baje por la paredes del tubo o el vaso.

g)

Deja reposar por 2-3 minutos sin perturbar la mezcla. Es importante no agitar el tubo de ensayo. Observa que se forman dos fases, en una de ellas podrás observar las fibras de ADN que van aparecindo.

Analiza y responde Observa: ¿Qué funciones crees que tenía el triturar el plátano, el agregar soluciones salinas y el detergente? ¿Cómo crees que afectaron a las proteínas celulares la solución salina que agregaste? ¿Puedes afirmar que hubo desnaturalización de proteínas? ¿Qué habría pasado si hubieras agitado fuertemente la mezcla de alcohol y filtrado? ¿Por qué? ¿Qué función cumple el detergente y la sal en el proceso estudiado?

69

EVALUACIÓN CAPÍTULO 3

Repaso de contenidos Propuesta de aprendizaje

7 ¿Qué es un monosacárido, un oligosacárido y un polisacárido? Da ejemplos.

• Reconocer los elementos químicos presentes en los seres vivos según su abundancia)

8 Menciona 3 elementos químicos que componen a todos los seres vivos.

1 Cuál de los siguientes moléculas es un polisacárido? a) Glucosa b) Fructosa c) Galactosa d) Glucógeno

9 Observa el ejemplo, revisa las funciones de las proteínas y agrúpalas bajo el siguiente esquema:

Función Reguladora

2 Los lípidos saponificables se caracterizan porque en su estructura químia encontramos: a) Aminoácidos b) Monosacáridos c) Glicerol y ácidos grasos d) Colesterol y esteroides.

b) Actúa como catalizador de las reacción químicas celulares

3 El ADN en su estructura química presenta: a) Nucleótidos con azúcar ribosa b) Nucleótidos con bases nitrogenadas de Timina) c) Nucleótidos con azúcar glucosa d) Nucleótidos con bases nitrogenadas de Uracilo.

70

b) Catalasa, Lipasa, tripsinasa)

Estructural Transporte Inmunológica Reserva Contráctiles

• Diferenciar las moléculas orgánicas según tipo y función.

Observa la siguiente gráfica que muestra la velocidad de reacción de una enzima a diferentes valores de pH y contesta las preguntas 10 y 11.

5 Todos los aminoácidos están formados por grupo: a) Amino, carboxilo y R. b) Amino, azúcar y base nitrogenada) c) Glicerol, ácido graso y fosfato. d) Amino, R y azúcar.

6 La diferencia entre un aminoácido y otro, así como el que le confiere la característica funcional es: a) Grupo amino. b) Grupo ácido c) Grupo R d) Grupo carboxilo.

Ejemplo a) Hormona insulina, glucagón y adrnocorticotropa)

Velocidad de la reacción (V)

4 La estructura funcional biológica de la proteína se alcanza cuando el plegamiento llega: a) Estructura primaria y secundaria b) Estructura secundaria c) Estructura terciaria y cuaternaria d) Solo estructura terciaria)

Descripción a) Actúa como hormona controlando el metabolismo.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH

10 ¿Cuál es el pH óptimo para que la acción enzimática se máxima? a) 6 b) 7 c) 8 d) 14

11 ¿En qué pH la enzima se desnaturaliza? a) 6 y 7 b) 7 y 8 c) 1 y 14 d) 6 y 8

16 La siguiente secuencia de bases nitrogenadas corresponde a una de las cadenas que forma la doble cadena del ADN: GATACATTGGACC) Busca en las alternativas la secuencia de bases complementaria) a) GATACATTGGACC

12 Completa la tabla con las características estructurales que diferencian al ADN del ARN. Estructura

ADN

ARN

Bases nitrogenadas

b) CUAUGUAACCUGG c) CTATGTAACCTGG d) AGCGTGCCAAGTT 17 ¿Cuál es la función de los carbohidratos, lípidos, proteína y ácidos nucleicos en el organismo?

Monosacáridos Forma

La tabla muestra los resultados de las pruebas hechas para identificar a las biomoléculas presentes en los alimentos. Analiza la información y responde a la pregunta 13 y 14: Sustancia

Yodo / lugol

Benedict

A

+

-

B

-

+

18 Explica con tus palabras la siguiente afirmación: Las cadenas de ADN se aparean de manera complementaria)

• Conocer diferentes niveles de organización en los seres vivos 19 Si se toma una muestra de páncreas en un ser vivo, esa muestra corresponde al nivel: a) Molecular

13 ¿Qué podemos afirmar acerca de la sustancia A? Es un: a) Lípido b) Carbohidrato c) Proteína d) Ácido nucleico.

b) Grupo de células c) Organismo d) Celular e) Población 20 ¿Cuál es el nivel de organización más complejo que pueden alcanzar la materia inerte? a) Molecular

14 ¿Qué podemos decir de la sustancia B?

b) Grupo de células

Es:

c) Organismo

a) Almidón

d) Celular

b) Glucosa c) Sacarosa d) Lactosa 15 La queratina del cabello y las uñas, la miosina muscular y la fibrina de coágulos sanguíneos, son proteínas propias del ser humano. Estas proteínas forman estructuras helicoidales. La forma antes mencionada corresponde a estructura: a) Primaria b) Secundaria c) Terciaria d) Cuaternaria

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