Introducción a la Biología // Ciencias de Joseleg // Biología
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||1|| Introducción ||2|| Temáticas
principales del curso de biología ||3|| Niveles
de organización de los seres vivos ||4|| Átomos
y enlaces ||5|| La
importancia del agua ||6|| Introducción
a los ácidos y las bases ||7|| Introducción
a los compuestos orgánicos ||8|| Carbohidratos ||9|| Lípidos ||10|| Ácidos
nucleicos y otros factores ||11|| Proteínas ||12|| Como
se estudian las ciencias de la vida ||13|| La
unidad de la vida ||14|| ¿Qué
es la vida? ||15|| Funciones
de los seres vivos ||16|| Referencias
bibliográficas |
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1. Introducción
La
biología es el estudio científico de la vida. Es una ciencia natural con un
alcance amplio, pero tiene varios temas unificadores que la unen como un campo único
y coherente. Por ejemplo, todos los organismos vivos están formados por células
que procesan información hereditaria codificada en genes, que puede
transmitirse a las generaciones futuras. Otro tema importante es la evolución,
que explica la unidad y diversidad de la vida. Finalmente, todos los organismos
vivos requieren energía para moverse, crecer y reproducirse, así como para
regular su propio entorno interno.
Los biólogos pueden estudiar la vida en múltiples
niveles de organización. Desde la biología molecular de una célula hasta la
anatomía y fisiología de plantas y animales, y la evolución de las poblaciones.
Por lo tanto, existen múltiples subdisciplinas dentro de la biología, cada una
definida por la naturaleza de sus preguntas de investigación y las herramientas
que utilizan. Como otros científicos, los biólogos usan el método científico
para hacer observaciones, plantear preguntas, generar hipótesis y realizar
experimentos para aprender sobre el mundo que los rodea.
La vida en la Tierra, que surgió hace más
de 3700 millones de años, es inmensamente diversa. Los biólogos han buscado
estudiar y clasificar las diversas formas de vida, desde organismos procariotas
como arqueas y bacterias hasta organismos eucariotas como protistas, hongos,
plantas y animales. Estos diversos organismos vivos contribuyen a la
biodiversidad de un ecosistema, donde desempeñan funciones especializadas en el
ciclo de nutrientes y energía.
Fuentes: (Belk & Maier,
2013; Mader & Windelspecht, 2018; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014).
La palabra “Biología” se deriva de las
palabras griegas antiguas bíos que
significa "vida" y logía
que significa "rama de estudio". A pesar de esto, el término βιολογία
en su conjunto no existía en griego antiguo, aunque su campo de estudio inicial
si existía en la Grecia antigua, bajo la etiqueta de Historia Natural (Kohlstedt, 2005).
La forma en latín del término Biología apareció por primera vez en
1736 cuando el científico sueco Carl Linnaeus (Carl von Linné) usó biologi en su Bibliotheca Botanica. Fue utilizado de nuevo en 1766 en una obra
titulada Philosophiae naturalis sive
physicae: tomus III, continens geologian, biologian, fitologian generalis,
por Michael Christoph Hanov, un discípulo de Christian Wolff. El primer uso
alemán, Biologie, fue en una traducción
de 1771 del trabajo de Linnaeus. En 1797, Theodor Georg August Roose utilizó el
término en el prefacio de un libro, Grundzüge
der Lehre van der Lebenskraft. Karl Friedrich Burdach utilizó el término en
1800 en un sentido más restringido del estudio de los seres humanos desde una
perspectiva morfológica, fisiológica y psicológica (Propädeutik zum Studien der
gesammten Heilkunst). El término entró en su uso moderno con el tratado de seis
volúmenes Biologie, oder Philosophie der
lebenden Natur (1802-22) de Gottfried Reinhold Treviranus, quien anunció (Richards, 2010):
Los
objetos de nuestra investigación serán las diferentes formas y manifestaciones
de la vida, las condiciones y leyes bajo las cuales ocurren estos fenómenos y
las causas a través de las cuales han sido afectados. La ciencia que se ocupa
de estos objetos la indicaremos con el nombre de biología [Biologie] o doctrina de la vida [Lebenslehre].
2. Temáticas principales del curso de biología
Lo más interesante del hecho de que para poder entender la biología debamos remitirnos a dos personajes es el hecho de que la biología es una ciencia de la naturaleza en la cual hay que hacer mucha investigación de campo. Mientras que la física se puede defender bien con ejercicios de lápiz y papel de los cuales se deducen fenómenos que se comparan con el comportamiento en un laboratorio, y mientras que la química depende principalmente del trabajo experimental, la biología implica salir al campo y observar, además de hacer trabajo experimental y trabajo de lápiz y papel.
Figura 2.1.
Los padres de la biología. Gregor Mendel
introduce la tradición experimental y matemática, mientras que Charles Darwin
trabaja en el campo, y además genera una teoría amplia que abarca las
disciplinas biológicas y las organiza en un mismo esfuerzo científico.
A la biología la fundan dos tipos de
individuos, los historiadores naturales y los botánicos. Los primeros se
encargaban de realizar viajes al campo salvaje para recolectar muestras,
realizar dibujos y describir el comportamiento de los seres vivos. Por muchos
siglos este fue el principal rol de los historiadores naturales, sin embargo,
poco se dedicaron a crear modelos y teorías que explicaran lo que se observaba
en la naturaleza. Eso hasta que un noven naturalista se embarcó en un viaje
épico alrededor del mundo hace más de 180 años. El joven historiador natural se
llamaba Charles Darwin, y su viaje que duraría cinco años le cambió la
percepción del mundo natural, a tal punto que dedicaría su vida a madurar una
idea, que los seres vivos cambian en respuesta a las presiones que impone el
ambiente y que denominamos en su conjunto como la Selección Natural, dicha idea
es en la actualidad una de las piedras fundamentales del conocimiento
biológico. La tradición de los historiadores naturales fue heredada
principalmente por los ecólogos, quienes muchas veces también deben arriesgar
sus vidas para aventurarse en el territorio salvaje.
Sin embargo, la biología también se organiza en torno a un segundo individuo que representa una tradición más mesurada, una de pensadores y experimentalistas, ese es Gregor Mendel. Este sacerdote austriaco fue contemporáneo de Darwin, y su trabajo involucraría el desarrollo de experimentos biológicos altamente controlados y un análisis matemático riguroso. Estas tres ideas: observación en el campo, trabajo experimental controlado y desarrollo teórico matemático son los ejes ante los cuales organizamos todos los capítulos de la biología, desde la ecología de los grandes paisajes hasta la más pequeña de las células.
Figura 2.2.
La biología nace con la exploración del mundo.
Solo hasta la edad de los Imperios Coloniales Marinos como el Imperio Británico
o el reino de España fue que se tuvo acceso a una imagen realista de la
biodiversidad del planeta.
Esto es lo más apasionante a cerca de la
biología, su confluencia histórica y la variedad de sus técnicas. La cantidad
de información disponible a cerca del mundo natural ha aumentado
exponencialmente en los últimos 42 años desde la construcción de la primera
molécula de ADN recombinante. En la actualidad estamos en una posición de
preguntar y responder preguntas que previamente solo habían sido sueños de
superhéroes, o eran terreno del mito. El siglo XXI comenzó con la secuenciación
del genoma humano, el proyecto individual más grande de la historia de la
biología y que tomó 20 años para ser completado. Aun así, menos de 20 años
después fue posible secuenciar genomas completos en cuestión de días. La enorme
cantidad de información que puede ser compilada y que debe ser analizada está
cambiando el modo en que se entiende la biología, y está haciendo aparecer una
nueva técnica, la informática a las tres que mencionamos antes.
Los descubrimientos de la biología son
invariablemente descubrimientos sobre nuestros propios cuerpos, por lo que cada
nueva investigación posee un impacto médico ya sea en el diagnóstico,
tratamiento, cura o prevención de enfermedades que antes se creían incurables o
castigos divinos. A lo largo de estos cursos de biología intentaré dar una
imagen de la biología contemporánea, así como de su historia y técnicas
experimentales. En este capítulo introductorio trabajaremos la naturaleza de la
biología y sus temas de estudio clásicos.(Belk & Maier, 2013; Hoefnagels, 2015; Mackean
& Hayward, 2014; Mader, 2010; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mason,
Losos, Singer, & Raven, 2014; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014;
Simon, Reece, & Dickey, 2013; Solomon, Martin, Martin, & Berg, 2014;
Starr, Evers, & Starr, 2013)
2.1.
¿Qué es la biología?
La biología es el estudio científico de
los seres vivos. Los biólogos definen a los seres vivos, como todos los seres
descendientes de un solo ancestro celular que vivió, hace unos 3,8 mil millones
de años. Debido a su ancestro común, los seres vivos comparten muchas
características que no son encontradas en el mundo no viviente.
👉 Están
formados por una o más células
👉 Poseen
información genética
👉 Usan
la información genética para producirse a sí mismos
👉 Están
genéticamente relacionados y pueden cambiar con el paso de las generaciones.
👉 Pueden
transformar compuestos químicos inorgánicos en parte de la materia viviente.
👉 Pueden
extraer energía del ambiente y realizar trabajo biológico
👉 Pueden
regular su ambiente interno.
Figura 2.3.
Los virus parecen cristales de sal fuera de una célula.
Por fuera de las células que infectan o de un sistema vivo en el cual moverse,
los virus se cristalizan como si se tratara de minerales inorgánicos.
Esta simple lista resume una inmensa
diversidad y complejidad de conceptos, todos relacionados a los seres
vivientes. Sin embargo, algunas estructuras vivientes pueden no manifestar
todas esas características al mismo tiempo. Por ejemplo, las semillas pueden
permanecer en letargo durante años antes de empezar extraer energía de su
ambiente como lo hacen las plantas adultas. Sin embargo, un tema central y
repetitivo en las ciencias biológicas es que las definiciones básicas por lo
general siempre se encuentran con seres que, hacen que no se apliquen del todo,
excepciones extrañas que retan nuestra capacidad para ordenar, y para nombrar.
En la definición de ser vivo una de esas cosas son los virus, los virus son
seres que cuando están fuera de una célula se cristalizan, y parecen
estructuras inorgánicas, sin embargo, cuando entran en contacto con una célula
apropiada se activan, y utilizan su material genético para hacer más copias de
sí mismos sin tener nunca un mecanismo propio para extraer energía del
ambiente.
Actualmente las hipótesis más aceptadas es
que los virus evolucionaron a partir de las células en un pasado muy remoto.
Sin embargo, nos sirven de ejemplo de una estructura que yace en el limbo entre
lo vivo y lo no vivo. A lo largo del estudio de las ciencias biológicas emerge
un tema común, y es el cambio. Los seres vivos cambian a medida que pasa el
tiempo, pero más importante, cambian a medida que se reproducen. A ese cambio
lo denominamos el hecho de la evolución, y las diversas hipótesis empleadas
para explicarla, predecirla y manipularla es lo que denominamos teoría de la
evolución.
2.2.
La célula como entidad básica
Las células son capaces de representar los procesos clásicos de la vida. Durante los cursos básicos de biología en primaria y a veces en el bachillerato se nos enseña que los seres vivos son capaces de reproducirse, crecer, alimentarse y morir. Las células de manera individual pueden hacer esto, así como lo pueden hacer en grupos más o menos organizados. A las células que pueden llevar a cabo sus procesos de manera individual los denominamos seres vivos unicelulares; mientras que a las células que requieren vivir en grupos para llevar a cabo todos sus procesos los llamamos seres vivos multicelulares. Los virus son seres acelulares que dependen de seres vivos celulares para su existencia. A su vez, existen dos tipos de grupos de seres multicelulares, aquellos que cuyo grupo no se encuentra especializado, y aquellos cuyo grupo contiene diferentes subpoblaciones de células con tareas específicas.
Figura 2.4.
Célula en el microscopio de fluorescencia. La
biología requiere técnicas para hacer visible lo invisible, aquí vemos el
citoesqueleto de varias células marcado con moléculas fluorescentes, no estamos
viendo a la célula en sí, sino el color de los marcadores unidos a las
estructuras celulares.
Por lo anterior se nos dice que la célula
es la unidad estructural de la vida y la unidad funcional de la vida, ideas que
se denominan “Teoría Celular”. La célula es la primera cosa que puede ser
considerada como poseedora de la propiedad que llamamos vida. Sin embargo,
existen otras “cosas” que se encuentran en el limbo transicional de lo vivo y
lo no vivo, los virus. Aunque los virus no se los considera como seres vivos,
estos poseen propiedades de los seres vivos, y la más importante es la
variabilidad basada en los ácidos nucleicos. Esto implica que la biología tiene
un marco de acción más extenso que lo que meramente referenciamos como un ser
vivo, y debe extenderse a todas las entidades variables, que evolucionan y que
de momento se basan en el almacenamiento de la información genética en los
ácidos nucleicos ADN y ARN.
2.3.
Los límites de la biología
La biología es el punto de conexión entre
dos mundos, por un lado, la química y por otro lado las ciencias del
comportamiento dentro de las cuales cabrían las ciencias humanas. La única
forma de reconciliar esta conexión que es bastante evidente, pero al mismo
tiempo mantener la identidad de cada uno de los campos de estudio es mediante
el concepto de las propiedades emergentes (Edwards & Wilcox, 2011). Las propiedades emergentes son fenómenos únicos de un nivel de
complejidad generados por interacciones de unidades al momento en que
analizamos un sistema más complejo (Brigandt, 2015; Du & Elemento,
2015; Yates, 2012). En
la biología aplican todas las leyes de la química, pero además tiene sus leyes
propias, y lo mismo podemos hablar de las ciencias humanas. El problema es
referenciar el momento en que la química se vuelve biología, y el momento en
que la biología del comportamiento se convierte en una ciencia humana. Y la
verdad como en todo fenómeno gradual, la respuesta es un debate en llamas, los
temas que involucran las interacciones de las fronteras de los campos también
son temas de frontera en la ciencia.
Por ejemplo en la interacción
química-biología tenemos el problema del origen de la vida (Oparin, 2003) y el del origen de los virus (Domingo & Perales, 2014). En la interacción de la biología del comportamiento y las
ciencias humanas estaría el dilema del momento en que surge por primera vez el
lenguaje (Koerner & Asher, 2014) o el pensamiento místico-religioso (Turner & Abrutyn, 2016). No hace falta decir que en ambos también existe una enorme controversia
al exterior de las comunidades científicas, pues se trata de temas que
tradicionalmente habían sido competencia de las religiones abrahamánicas (Richards & Ruse, 2016). Lo anterior nos lleva a otra de las tradiciones de la biología,
se trata de una ciencia que rutinariamente choca con las preconcepciones
culturales y religiosas de las personas, así que, si a usted no le gusta el
debate y la fricción con ideas preconcebidas, esta tal vez no sea su ciencia.
En medio de estos límites, la biología
tiene una estructura organizativa relativamente clara, pero que es
entremezclada de manera bastante alegre en los cursos de biología del nivel de
bachiller. Existen cuatro categorías que lidian más o menos con los niveles de
complejidad de los seres vivos:
👉 La
biología celular, genética y molecular, que estudian las estructuras básicas de
los sistemas vivos: células, genes, etc.;
👉 La
biología tisular “histología”, embriología, anatomía, fisiología, medicina
entre otras que estudian las estructuras y funcionamiento a nivel de tejidos,
órganos y cuerpos;
👉 La
paleontología, anatomía comparada, genética comparada, taxonomía y evolución
que tiene en cuenta la historia evolutiva de los seres vivos y la razón de las
adaptaciones;
👉 La
ecología y sus ramas que estudian las interacciones de los seres vivos consigo
mismos y con el ambiente.
Sin embargo, es importante señalar que estos límites, agrupaciones y descripciones son una descripción simplificada de la investigación biológica. En realidad, los límites entre disciplinas son muy inseguros y, frecuentemente, muchas disciplinas se prestan técnicas las unas a las otras. Por ejemplo, la biología de la evolución se apoya en gran medida de técnicas de la biología molecular para determinar las secuencias de ADN que ayudan a comprender la variación genética de una población; y la fisiología toma préstamos abundantes de la biología celular para describir la función de sistemas orgánicos.
Figura 2.5.
Los biólogos nacen de la observación.
2.4.
Los temas básicos de la
biología
La biología, sin importar la rama que
estudias lidia con al menos uno de los siguientes tres temas generales.
👉 Evolución: las poblaciones de
seres vivos cambian a lo largo del tiempo por mecanismos naturales. Este es el
paradigma básico de la evolución y a lo que nos referimos como hecho evolutivo.
Los científicos han acumulado una gran cantidad de información que prueba este
concepto básico y que además expresan diversos mecanismos que permiten que este
hecho se dé.
👉 La transferencia de la información:
La información por medio de la cual se generan las estructuras por medio de las
cuales los seres vivos pueden existir es otro de los temas fundamentales de la
biología. Su estudio se relaciona con la genética y las proteínas.
👉 La transferencia de la energía:
Para existir, los seres vivos deben ser capaces de capturar energía externa y
mantenerla en sus cuerpos. Virtualmente la mayor parte de los temas de anatomía
lidian con este tema de mayor o menor medida.
3. Niveles de organización de los seres vivos
Sin importar que estemos estudiando un ser
vivo, o la vida como un todo, podemos identificar una jerarquía en la
organización biológica. En cada nivel, la estructura y la función se encuentran
coordinadas de manera precisa. Un buen modo de estudiar un nivel es mirando sus
componentes “el nivel inmediatamente inferior”. Por ejemplo, los biólogos
pueden aprender mucho de las células mediante el estudio de las moléculas
altamente complejas como las proteínas, o los lípidos. Del mismo modo, las
moléculas altamente complejas pueden ser entendidas en términos de sus
componentes.
Cada nivel posee propiedades emergentes,
características que no se encuentran en los niveles inmediatamente inferiores.
Las poblaciones de organismos poseen propiedades emergentes tales como la
densidad poblacional, la estructura de edad, y las tasas de muerte y
nacimiento. Un individuo por sí mismo, no posee estas características.
Considere también el cerebro humano. El cerebro está compuesto por millones de
neuronas. Usted puede estudiar de manera individual cada una de estas neuronas
y aun así no tener ni idea cómo funciona el cerebro como un todo.
Solo cuando las neuronas están conectadas
entre sí estas propiedades emergentes aparecen, como la capacidad de
coordinación motriz, o de resolución de problemas. La vida misma es una
propiedad emergente al nivel celular, por debajo de este, las estructuras
químicas bajo las condiciones conocidas no pueden controlarse o reproducirse
por sí mismas. La evolución misma sería una propiedad emergente al nivel de una
población variable. Un solo individuo no puede evolucionar, del mismo modo que una
proteína no está viva. Este podría considerarse como el verdadero resumen del
estudio de la biología, la cual debe resumir conceptos de química, de la
célula, de la anatomía y de la ecología.
3.1. Niveles químicos
Figura 3.1.
Átomos y moléculas. Los átomos de la mayoría de los
elementos no pueden existir aislados, se unen para formar moléculas, ya sea del
mismo tipo de átomos o de diferentes átomos.
Aunque dijimos que no hay superveniencia, esto no implica que todas las propiedades sean emergentes, hay propiedades no emergentes que dependen de los componentes, por lo que es importante conocer algunas características generales de los niveles de complejidad inferiores a la célula.
Figura 3.2.
Las moléculas de la vida. A mayor
energía y materia disponible, las sustancias pueden hacerse más complejas y
grandes, almacenando cada vez más energía en sus enlaces y generando nuevas
interacciones y nuevas propiedades. En general las moléculas de la vida se
hacen con base a carbono, hidrógeno y otros elementos que les permiten hacer
cosas.
👉 De átomo a
molécula: El átomo es el
nivel de organización más básico en la química, seguido por las moléculas.
Varias moléculas pueden unirse para formar macromoléculas. La clave aquí es el
enlace atómico fuerte especialmente el enlace covalente entre estructuras de
tipo orgánico. Las macromoléculas son moléculas gigantescas, compuestas por
miles o millones de átomos. Estas moléculas poseen propiedades químicas
emergentes que no aparecen en las moléculas más pequeñas, que dependen de sus
formas. Los fosfolípidos por ejemplo son un tipo de macromolécula. Algunas
macromoléculas son más variables que otras.
Un ejemplo son las proteínas que usan sus
formas para realizar su labor. Aun dentro de las proteínas existen diferentes
niveles de complejidad. Lo mismo pasa con los lípidos ilustrados en la presente
imagen los cuales tienen como propiedad emergente el almacenamiento de energía
de manera compacta.
👉 De molécula a subunidades: Las subunidades se conforman de varias macromoléculas de alto
peso molecular unidas entre sí por interacciones moleculares. Algunas de las
más simples son los pastores moleculares “molecular crowders” en el citosol (Bancaud et al., 2009; Strulson,
Boyer, Whitman, & Bevilacqua, 2014), pero existen otros ejemplos más importantes, como la propia
membrana celular, o las subunidades que conforman al ADN o al ribosoma. Las
subunidades ya ingresan al terreno biológico debido a que pueden experimentan
variabilidad. Las membranas biológicas
están formadas por la unión de varios lípidos y proteínas cada uno
macromoléculas.
Figura 3.3.
Subunidad celular, el ribosoma. Las
subunidades son complejos moleculares tan complejos que no existirían en la
naturaleza sin la acción organizativa de un ser vivo, sin embargo, aunque solo
aparecen asociadas a los seres vivos, por separado, las subunidades no están
vivas.
La propiedad emergente en este caso se
relaciona con el control de los procesos, la aceleración de las reacciones de
las proteínas "estas son más eficientes cuando están fijas" y la
separación del medio interno y el medio externo. Junto con la última estructura
el genoma, se forman las células. Se requiere del funcionamiento sincronizado
del genoma, el ribosoma y la membrana para generar una célula viva.
Figura 3.4.
La célula. La célula es la entidad más pequeña
que puede existir por si misma con todas las propiedades que describen a la
vida. Sin embargo, la célula tampoco es una entidad aislada.
👉 Campos e interacciones: Cada uno de estos niveles es estudiado por una rama de la
química, por ejemplo, los átomos y las moléculas simples se estudian en química
inorgánica o introductoria. Las moléculas más complejas en química orgánica,
las macromoléculas y las estructuras que estas forman en bioquímica. Cada nivel
posee su propio grupo de propiedades emergentes, que en ciertos niveles aún son
pobremente entendidas.
Figura 3.5.
Los unicelulares. Las células pueden existir como
comunidades de individuos que compiten o cooperan según las condiciones
ambientales, a estos seres los llamamos unicelulares.
3.2.
Niveles organísmicos
El individuo se caracteriza por estar
vivo, es decir, por presentar todas las propiedades de los seres vivos y por
realizar todas las funciones de los seres vivos, por lo que hay un factor clave
para tener en cuenta, la unidad de funcionamiento orquestada. Al igual que los
instrumentos en una orquesta, podemos analizar cada uno de los componentes
estructurales del ser vivo por separado, pero jamás deberíamos olvidar que
estamos tratando con segmentos que están vinculados a un todo.
Los niveles organísmicos comprenden los
niveles entre la célula y si es necesario el individuo multicelular, con
tejidos diferenciados. Sin embargo, es importante resaltar que, muchos seres
vivos están compuestos por una única célula, y en ellos el nivel organísmico
salta directamente al nivel de organización ecológico. Sin embargo, dado que la
biología es la ciencia de las excepciones, también es posible señalar que
especies de seres vivos que por siglos fueron considerados como unicelulares,
pueden experimentar los beneficios de niveles de complejidad en los cuales las
células actúan colectivamente para un bien mayor.
👉 La célula: Se considera como la unidad básica de estructura y función de la
vida. Está unida por una membrana celular y posee un material genético que
actúa como su sistema de control principal, mas no es el único. Está definida
por una membrana biológica que separa el medio externo que puede ser agua o una
matriz extracelular de un medio interno llamado citoplasma. El citoplasma se
divide en una parte líquida o semilíquida llamada citosol y organelos simples o
complejos dependiendo del tipo de célula. La célula por si misma exhibe las propiedades
de los seres vivos y sus funciones, aunque algunas de ellas estén bloqueadas en
ciertos momentos de su ciclo de vida.
👉 Los tejidos: Los tejidos son conjuntos de células de un tipo semejante que se
encuentran embebidas en una matriz extracelular, que media las interacciones
entre el medio ambiente y las células individuales. Existen propiedades
emergentes del colectivo celular causadas principalmente por la naturaleza
bioquímica de la matriz extracelular como un contenido de agua y glicoproteínas
fibrosas. Incluso las mismas bacterias pueden llegar a este nivel gracias a la
formación de las bioplacas o biopelículas. Sin embargo, lo que más distingue a
un ser multicelular real de uno pluricelular crudo es que el multicelular puede
generar diferentes poblaciones de células especializadas con diferentes
matrices extracelulares para funciona especializadas en lugares diferentes de
su cuerpo.
Figura 3.6.
Los tejidos. Los seres que deben existir como un
conjunto de células se denominan multicelulares. Los tejidos son agrupaciones
de células con propiedades emergentes concretas que no pueden hacer las células
por separado.
Los tejidos también se caracterizan por
poder realizar funciones como un todo, que una sola célula individual no podría
llevar a cabo. Por ejemplo, el tejido epitelial protege a otros tejidos debajo
de él, pero esta propiedad es emergente a la organización en forma de cubierta
que posee este tejido. Una sola célula no puede cubrir, pero muchas sí, ese es
un ejemplo de una propiedad emergente.
👉 Los órganos: Un órgano está compuesto por diferentes tipos de tejidos para
realizar una función general. Por ejemplo, el estómago, está compuesto por
tejidos epiteliales que protegen la masa interna, y por tejidos que segregan
ácidos para descomponer el alimento. La función completa de descomponer el
alimento no puede ser llevada a cabo solo por un tejido, ya que el epitelio por
sí solo no hace nada, y el tejido que segrega acido se descompondría a si mismo
si no fuera por la protección del epitelio.
Figura 3.7.
Los órganos y sistemas. Los órganos son agrupaciones de
tejidos que permiten llevar a cabo funciones en organismos muy complejos y
grandes. Los sistemas están asociados a organismos muy complejos, cuyos tamaños
impiden que las funciones biológicas puedan llevarse a cabo por tejidos u
órganos independientes.
👉 Sistemas o aparatos: Cuando varios órganos se unen de manera coordinada hablamos de
nivel del sistema de órganos. Por ejemplo, para que la digestión se complete,
los alimentos no solo deben ser degradados, si no que los nutrientes formados
tras la degradación deben ser procesados y absorbidos, mientras que los
desechos eliminados. El sistema de órganos realiza varias funciones
relacionadas a un mismo objetivo final. Finalmente, un ser vivo multicelular al
estar compuesto de varios sistemas de órganos puede llevar a cabo todas esas
funciones y más, tal como se verá en el nivel ecológico, cuya unidad básica, es
el individuo.
👉 Nuevamente al individuo: La suma de todos los sistemas crea un individuo multicelular
completo capaz de realizar las funciones biológicas, sin embargo, varias de
dichas funciones involucran que este individuo se relacione con su medio
externo, lo cual nos lleva al siguiente nivel de complejidad.
Figura 3.8.
El individuo multicelular. El individuo
es la unidad de trabajo en ecología y por primera vez hablamos de una entidad
capaz de relacionarse con su ambiente a través de sus adaptaciones físicas.
3.3.
Niveles ecológicos
Sea un individuo formado por una célula o
por varias, la principal propiedad que emerge en este punto es la de
interactuar con el medio externo, para procurarse alimento y todos los demás
requisitos para mantenerse vivo y reproducirse.
👉 La población: Se define como un conjunto de individuos de la misma especie que
viven en una misma área geográfica. Al ser de la misma especie estamos hablando
de una unidad reproductiva que puede mantenerse en el ambiente por más tiempo
de lo que lo hace un solo individuo, adaptándose al medioambiente por medio de
su variabilidad genética confrontada contra las condiciones del ambiente. En
tales condiciones podemos decir que la principal propiedad emergente que posee
la población es la de evolucionar. Por debajo de este nivel no puede decirse
que algo evolucione, pero por encima de este nivel, todo puede evolucionar.
Cabe notar que esto es válido para cualquier población, ya sea unicelular o
pluricelular en la que se compita por recursos limitados, y la reproducción de
como resultado individuos variables. En las poblaciones con reproducción sexual
otra propiedad emergente es la selección sexual ejercida por ambos sexos. Esto
genera caracteres que no son necesariamente adaptativos, pero que sirven para
tener más éxito reproductivo como la melena de los leones o la cola del pavo
real.
Figura 3.9.
La población. La población es el primer nivel de
complejidad que posee la propiedad de evolucionar.
👉 La comunidad: Poblaciones de varios tipos de seres vivos que viven en una misma
área geográfica reciben el nombre de comunidad ecológica.
Figura 3.10.
La comunidad. Una comunidad representa las
diferentes interacciones de individuos vivos de diferentes especies en un área
concreta.
A medida que las poblaciones evolucionan a
lo largo del tiempo, hacen que la comunidad cambie. La mejor forma de
representar a una comunidad ecológica es mediante una red trófica que
representa las relaciones depredador presa en un lugar geográfico determinado.
Sin embargo, cabe anotar que existen otras relaciones biológicas a parte de la
depredación que deben ser estudiadas en este nivel de complejidad. Estas
relaciones de especia a especie son precisamente la propiedad emergente más
importante en este nivel de complejidad. Las interacciones del individuo con individuos
de otras especies crean otros segmentos de la selección natural en forma de
depredadores, parásitos, mutualistas o presas.
👉 Ecosistema o hábitat: La comunidad está compuesta solo de seres vivos, pero cuando se
la considera junto con todos los fenómenos no vivos del mismo lugar geográfico,
se la denomina ecosistema. Los ecosistemas pueden ser tan pequeños como un
charco, o tan grandes como segmentos del océano. La principal propiedad
emergente en este nivel es el concepto de nicho, que representa todas las
relaciones de un ser vivo con otros seres vivos y con los factores abióticos
como la luz, el agua, el refugio entre otros. Las condiciones que plantean los
factores abióticos a la supervivencia de los individuos variables en una
población representan el factor final de la selección natural.
Figura 3.11.
El ecosistema. Los ecosistemas toman en cuenta a los
factores abióticos junto con los bióticos en interacción con los individuos.
👉 Bioma: Cuando varios hábitats o ecosistemas semejantes conforman una
unidad paisajística con condiciones abióticas consistentes estamos hablando de
un bioma. Los biomas se interrelacionan con otros biomas mediante fronteras de
gradualidad denominadas ecotonos.
Figura 3.12.
El bioma. Varios ecosistemas relacionados por su
temperatura e iluminación forman paisajes conocidos como biomas.
👉 Biósfera: Actualmente representa el nivel más grande de organización
biológica. La biósfera es la suma de los biomas, y su propiedad emergente es la
regulación de los grandes ciclos biogeoquímicos, como el ciclo del agua, el
ciclo del carbono, o el ciclo del nitrógeno.
Figura 3.13.
La biosfera es conformada por la suma de los
ecosistemas terrestres acuáticos la atmósfera y el subsuelo colonizado por los
seres vivos.
👉¿Exoplanetas? Y ¿colonias
espaciales?: Si se
llegara a descubrir vida en otros planetas, o si llegáramos a colonizar el
espacio mediante la generación de colonias orbitales o mediante la
trasformación de otros planetas se abriría un nuevo nivel de complejidad y
organización biológica, aunque claro está, esto solo es ciencia ficción de
momento.
Figura 3.14. Los humanos tenemos la opción de destruir la
vida o llevarla a su siguiente nivel de complejidad, uno en que la vida
colonice el espacio exterior, más allá de su cuna en la Tierra.
4. Átomos y enlaces
Al igual que otros animales, las hormigas tienen estructuras y mecanismos que los defienden del ataque (Youtube: Hormigas lanzando ácido fórmico). Las hormigas de madera viven en colonias de cientos o miles, y la colonia en su conjunto tiene una forma particularmente efectiva de tratar con los enemigos. Cuando se les amenaza desde arriba, las hormigas lanzan descargas de ácido fórmico al aire desde su abdomen, y el ácido bombardea al depredador potencial, como un ave hambrienta. El ácido fórmico es producido por muchas especies de hormigas y de hecho toma su nombre de la palabra latina para hormiga, formica. Para muchas especies de hormigas, el ácido fórmico no se dispara, sirve como un desinfectante que protege a las hormigas contra parásitos microbianos. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los productos químicos juegan un papel importante en la comunicación de insectos, la atracción de compañeros y la defensa contra los depredadores.
Figura 4.1.
Hormigas defendiendo su colonia. El ácido fórmico
es el más simple de los ácidos orgánicos, formalmente lo llamamos ácido metanoico, y
es entre otras producido en el hígado cuando consumimos alcohol adulterado, es
tóxico ya sea por contacto, pero es mortal al ingerirse o crearse en el hígado.
La investigación sobre hormigas y otros
insectos es un buen ejemplo de cuán relevante es la química para el estudio de
la vida. A diferencia de los cursos universitarios y de bachillerato, la
naturaleza no está cuidadosamente empaquetada en las ciencias individuales:
biología, química, física, etc. Los biólogos se especializan en el estudio de
la vida, pero los organismos y sus entornos son sistemas naturales a los que se
aplican los conceptos de química, biología y física. La biología es
multidisciplinaria. Ahora, dado que los seres vivos son sistemas
físico-químicos, es conveniente dar una mirada al modo en que entendemos dichos
sistemas.
Mientras
estudias ahora mismo, todo lo que te rodea, incluidos tu escritorio y tu
computadora, está hecho de materia. La materia se puede definir como cualquier
cosa que existe en el espacio-tiempo, ya sea la materia que ocupa espacio y
tiene masa, los campos que generan atracciones o repulsiones y la radiación
electromagnética como la luz. La materia puede existir como un sólido, líquido,
gas o plasma. Los organismos vivos, como nosotros mismos, y las cosas no vivas,
como el aire que respiramos, están hechos de materia. Toda la materia está
compuesta de elementos. Un elemento es una sustancia material que no puede
descomponerse en otras sustancias por medios químicos ordinarios. Solo hay 92
elementos naturales y cada uno de estos se diferencia de los demás en sus
propiedades químicas o físicas, como densidad, solubilidad, punto de fusión y
reactividad, siendo la mayoría metales de color gris como la plata o el hierro.
Si bien todos los elementos están
presentes en la Tierra, la proporción de cada elemento difiere entre los
organismos vivos y las cosas no vivas. Cuatro elementos -carbono, hidrógeno,
nitrógeno y oxígeno- constituyen aproximadamente el 96% del peso corporal de la
mayoría de los organismos, siendo estos no-metales. Desde formas de vida
sencillas y unicelulares hasta plantas y animales multicelulares complejos
todos están hechos principalmente de estos cuatro elementos. Otros elementos,
como el fósforo, el calcio y el azufre, también se pueden encontrar en
abundancia en los organismos vivos. Varios elementos, incluidos minerales como
el zinc y el cromo, se encuentran a niveles muy bajos o de trazas.
Independientemente de su abundancia y función en organismos vivos, los
elementos básicos de cada elemento comparten algunas características comunes.
4.1.
Los elementos puros están
hechos de átomos
La teoría
atómica establece que los elementos consisten en pequeñas partículas llamadas
átomos. Como cada elemento consta de un solo tipo de átomo, se le da el
mismo nombre a un elemento y sus átomos. Este nombre está representado por una
o dos letras, llamadas el símbolo atómico. Por ejemplo, el símbolo
Entender la estructura de un átomo es algo
muy difícil, y los científicos aun discuten como mejorar nuestra comprensión de
ellos, a lo largo del tiempo se han propuesto imágenes matemáticas y pictóricas
que los representan, siendo conocidos como los modelos atómicos. Los modelos son como mapas de un átomo, que
lo describen con un diverso nivel de exactitud. De lo anterior, tres son los
modelos del átomo empleados comúnmente por los científicos, como esferas, cuyo
tamaño y color didáctico indican la identidad del átomo, siendo este el modelo
de Dalton. Como sistemas solares en miniatura donde los electrones orbitan al
núcleo, como los planetas orbitan al Sol, siendo este el modelo perfeccionado
de Rutherford; y como un conjunto de ecuaciones matemáticas supercomplejas que
es difícil de expresar en una imagen, llamado modelo mecánico-cuántico, que es
el modo en que los físicos-matemáticos entienden al átomo.
Afortunadamente para los propósitos de la biología, no tenemos que lidiar normalmente con el átomo mecánico-cuántico, así que nos enfocaremos en el modelo de Dalton y el modelo de sistema solar también conocido como modelo semi-cuántico o modelo de Bohr. Como mencionamos anteriormente, el modelo de Dalton representa a los átomos como esferas de diferente tamaño y por ende, de diferente masa, los cuales se identifican didácticamente con colores que asignamos los científicos para que los modelos se vean artísticamente hermosos.
Figura 4.2.
Modelo atómico de Bohr para el helio. Los elementos
no son modelos pictóricos sino materiales reales, Carl Sagan nos lo puede
explicar mejor (YouTube).
La Figura 4.2 muestra
la disposición de las partículas subatómicas en un átomo de helio, que tiene
solo dos electrones. El círculo representa la ubicación aproximada de los
electrones en función de su estado de energía, siendo llamado órbita o nivel de
energía.
Sin embargo, los electrones están en un
estado constante de movimiento, por lo que su ubicación estimada a menudo se
muestra como una nube en los modelos cuánticos más modernos. En general, la
mayor parte de un átomo es espacio vacío. De hecho, si pudiéramos dibujar un
átomo del tamaño de un estadio de futbol, el núcleo sería como un chicle en el
centro del estadio, y los electrones serían diminutas motas girando en las
gradas superiores. Aunque el resto del espacio es vacío, la ilusión de solidez
es generada por las cargas electrónicas que generan una fuerza de campo que
llena al núcleo e impide que otros átomos invadan su espacio.
Dado que los átomos son una forma de
materia, es de esperar que cada átomo tenga una cierta masa. En efecto, el
número de masa de un átomo es casi igual a la suma de sus protones y neutrones.
Los protones y los neutrones tienen asignada una unidad de masa cada uno. Los
electrones, al ser materia, tienen masa, pero son tan pequeños que se supone
que su masa es cero en la mayoría de los cálculos. El término masa se usa, en
lugar de peso, porque la masa es constante, pero el peso está asociado con la
gravedad y, por lo tanto, varía según la ubicación de un objeto en el universo.
Todos los átomos de un elemento tienen la misma cantidad de protones.
Esto se llama número atómico del átomo. La
cantidad de protones hace que un átomo sea único y puede usarse para
identificar a qué elemento pertenece el átomo. Como veremos, la cantidad de
neutrones puede variar entre los átomos de un elemento. El promedio de los
números de masa para estos átomos se llama masa atómica, aunque incorrectamente
en la mayoría de las tablas periódicas de mano es referido como el peso
atómico.
El número atómico te dice la cantidad de
protones con carga positiva. Si el átomo es eléctricamente neutro, entonces el
número atómico también indica el número de electrones cargados negativamente.
Para determinar la cantidad habitual de neutrones, reste la cantidad de
protones de la masa atómica y esta deberá estar redondeada a sin decimales.
4.2.
Los átomos nacen de reacciones
nucleares
Todos estamos familiarizados con los
elementos. El hierro, el sodio, el oxígeno y el carbono son comunes en nuestras
vidas, pero ¿de dónde se originan? Las reacciones químicas normales no producen
elementos. La mayoría de los elementos más pesados que el hidrógeno, como el
hierro, se producen solo por las intensas reacciones químicas y físicas dentro
de las estrellas. Cuando estas estrellas alcanzan el final de sus vidas,
explotan y producen una supernova.
Las supernovas crean elementos más pesados
que el hierro y los dispersan en el espacio, donde eventualmente están
involucrados en la formación de planetas. El fallecido astrónomo y filósofo
Carl Sagan (1934-1996) con frecuencia se refirió a los humanos como "polvo
de estrellas". En muchos sentidos, nosotros, y todos los demás organismos
vivos, estamos formados por elementos que se originaron dentro de las estrellas
o cuando estas murieron. La única excepción es el hidrógeno, que se formó directamente
del caos primigenio del bigbang, y este elemento sigue siendo el más común en
nuestro universo.
4.3.
Isótopos
Los isótopos son átomos del mismo elemento
que difieren en el número de neutrones. En otras palabras, los isótopos tienen
el mismo número de protones, pero tienen diferentes números de masa.
En algunos casos, un núcleo con exceso de neutrones es inestable y puede decaer emitiendo radiación. Tal isótopo se dice que es radiactivo. Sin embargo, no todos los isótopos son radiactivos. La radiación emitida por los isótopos radiactivos se puede detectar de varias maneras.
Figura 4.3.
Isótopos del hidrógeno y el carbono. Los isótopos
del hidrógeno son los únicos que tienen nombres propios: protio el más común,
deuterio y tritio. Las cargas eléctricas son las mismas “número de electrones
rotando alrededor del núcleo”, y por eso pertenecen al mismo elemento, pero
difieren en los neutrones y por ende en su masa (Arriba). Todos los elementos tienen átomos estables y
átomos isotópicos que son inestables y tienden a convertirse en otros
elementos, por ejemplo, el carbono-14 tiende a transformarse en nitrógeno-14
(Abajo).
La importancia de la química para la
biología y la medicina es en ninguna parte más evidente que en los muchos usos
de los isótopos radiactivos. Por ejemplo, los isótopos radiactivos pueden
usarse como marcadores para detectar cambios moleculares o destruir células
anormales o infecciosas. Dado que tanto los isótopos radiactivos como los
isótopos estables contienen la misma cantidad de electrones y protones,
esencialmente se comportan igual en las reacciones químicas. Por lo tanto, un
investigador puede usar una pequeña cantidad de isótopo radioactivo como
marcador para detectar cómo un grupo de células o un órgano procesan un
determinado elemento o molécula. Por ejemplo, al administrarle a una persona
una pequeña cantidad de yodo radiactivo (yodo-131), es posible determinar si la
glándula tiroides está funcionando adecuadamente. Otro ejemplo es un procedimiento
llamado tomografía por emisión de positrones (PET), que utiliza trazadores para
determinar la actividad comparativa de los tejidos. Un trazador de glucosa
marcado radioactivamente que emite un positrón (una partícula subatómica que es
lo opuesto a un electrón) se inyecta en el cuerpo. Los positrones emiten
pequeñas cantidades de radiación, que pueden ser detectadas por sensores y
analizadas por una computadora. El resultado es una imagen en color que muestra
qué tejidos tomaron glucosa y, por lo tanto, son metabólicamente activos. Se
pueden detectar una serie de afecciones, como tumores, enfermedad de Alzheimer,
epilepsia o accidente cerebrovascular, usando escaneos PET.
Las sustancias radiactivas en el medio
ambiente pueden causar cambios químicos nocivos en las células, dañar el ADN y
causar cáncer. La liberación de partículas radiactivas después de un accidente
en una planta de energía nuclear puede tener efectos de largo alcance y de
larga duración en la salud humana. Por ejemplo, un tsunami del Pacífico en 2011
causó la liberación de cesio-137 radiactivo de la instalación nuclear de
Fukushima. Pero los efectos de la radiación también pueden aprovecharse. Pueden
colocarse paquetes de isótopos radiactivos en el cuerpo, de modo que las
partículas subatómicas emitidas destruyan solo las células cancerígenas, con
poco riesgo para el resto del cuerpo.
La radiación de isótopos radiactivos se ha
utilizado durante muchos años para esterilizar equipos médicos y dentales.
Desde los ataques terroristas en 2001, el correo que está destinado a la Casa
Blanca y las oficinas del Congreso en Washington, DC, se irradia para proteger
contra agentes biológicos peligrosos, como el ántrax.
4.4. Configuración electrónica en el modelo semicuántico de Bohr
Figura 4.4.
Configuraciones de electrones alrededor del núcleo en el modelo de Bohr.
Las órbitas también se denominan niveles de energía o capas de electrones, y
cada capa tiene una cantidad limitada de cupos para mantener electrones, cuando
un nivel se satura los electrones sobrantes se ubican en la siguiente capa.
La órbita mostrada en la Figura 4.4 es
el nivel energético fundamental del par de electrones del helio, pero a medida
que la energía aumenta, los electrones pueden cambiar de posición a una órbita
de más energía y más alejada del átomo. Sin embargo, en este punto es donde las
cosas se ponen extrañas. La energía que los electrones absorben generalmente es
radiación, y no absorben cualquier radiación, solo radiaciones de tipos
concretos. Los tipos de radiación electromagnética se describen por medio de la
medida de la frecuencia de la onda que compone a la radiación, a mayor energía,
la longitud de la onda es más pequeña, por lo general nuestros ojos son capaces
de captar un leve fragmento de la radiación electromagnética a la que llamamos
luz. Puede decirse que los átomos solo absorben energía de colores
particulares, y los demás simplemente le rebotan, lo cual le da su color al
objeto que componen.
La otra cosa extraña aparte de solo
absorben la energía de colores particulares, es que los electrones no viajan
como los cometas, no se desplazan entre las dos órbitas físicamente, cuando un
electrón absorbe la energía requerida para subir de nivel, entonces desaparece
en la nada en el nivel basal, y reaparece de la nada en el nivel de mayor
energía, esto es conocido como salto cuántico. La cantidad de energía para un
salto cuántico, al igual que el color de la radiación que la transporta es
fijo, ni más ni menos, por ende, se denomina cuanto de energía.
Las órbitas o niveles energéticos también
tienen otra propiedad, solo soportan una cantidad fija de electrones en estado
basal de energía, por lo que cuando los átomos de los elementos se hacen más
pesados, y la cantidad de electrones aumenta, los electrones sobrantes van
ocupando mayores niveles de energía, aun cuando se encuentren en su nivel
basal. Únicamente los electrones del último nivel de energía o capa más externa
son capaces de interactuar con la radiación electromagnética o con otros
electrones, por lo que son los únicos que sirven para los procesos químicos.
Dado que son los electrones de la capa más externa los que valen, se los conoce
como electrones de valencia.
4.5.
Reacciones y enlaces
Figura 4.5.
Una reacción es un cambio de identidad y energía. El
óxido de hierro es un material frágil que tiende a fracturarse y convertirse en
granos, por lo general se genera desde afuera hacia adentro de una masa de
hierro metálico, y cuando el óxido llega hasta el centro de la estructura, se
genera una falla catastrófica.
Los electrones de los átomos aislados se
encuentran en un falso estado fundamental, en realidad cuando están aislados,
sus electrones están inestables, por lo que buscan liberar energía, para
hacerlo, generalmente o emiten fotones generando radiación electromagnética en
el proceso, o forman enlaces químicos. Los enlaces químicos son atracciones
entre dos o más átomos de este o de diferentes elementos para formar moléculas.
Existen varios tipos de enlaces, aunque en general podemos hablar de tres tipos
generales, el enlace iónico, el enlace covalente y el enlace metálico.
👉 Enlace iónico: El enlace iónico se caracteriza porque un núcleo con avidez por
electrones captura el electrón de un átomo con poca avidez por electrones, el
electrón con exceso de electrones se hace negativo, y el que le faltan
electrones se hace positivo, y dado que los dos polos son opuestos se atraen
eléctricamente como un imán de polos opuestos.
👉 Enlace covalente: En este enlace ningún núcleo es lo bastante fuerte como para
atraer los electrones sobre sí mismo todo el tiempo, por lo que los electrones
de valencia quedan ensartados en medio de los dos núcleos formando una entidad
física que los une llamada enlace y que se representa en los modelos químicos
como barras entre los símbolos de los elementos. Si uno de los elementos es un
poco más ávido de electrones que su pareja en el enlace puede atraer
momentáneamente electrones sobre sí mismo en algunos momentos al azar,
haciéndose parcialmente negativo, mientras que su pareja se hace parcialmente
positiva.
👉 Enlace metálico: En este caso los electrones de valencia se expanden y combinan en
una entidad que rodea a miles de millones de millones de átomos, haciendo que
se comporten como una unidad, además de transmitir fácilmente la electricidad y
el calor.
4.6.
Electronegatividad, número de
enlaces y de cargas
La electronegatividad representa la avidez
por electrones de un núcleo, y por lo general los elementos no-metálicos son
más electronegativos, y de ellos el más electronegativo es el flúor, y el
segundo más electronegativo es el oxígeno. Los elementos de baja
electronegatividad son los metales. La cantidad de cargas positivas o negativas
en un enlace químico iónico, o la cantidad de enlaces covalentes es determinada
por los números de oxidación, un enlace iónico puede estar determinado por más
de una carga positiva o negativa, mientras que en los enlaces covalentes pueden
haber más de un enlace entre dos núcleos.
4.7.
Fórmulas moleculares
Las moléculas pueden ser representadas
estructuralmente por los modelos de los átomos individuales que los componen,
pero tal proceso es poco eficiente, por lo que en su lugar se emplean los
símbolos de los elementos y subíndices para indicar cuántos de esos elementos
existen en la molécula. Por ejemplo, la fórmula molecular del agua es
Observe cómo la fórmula química para la
glucosa indica el tipo y la cantidad de cada elemento que se encuentra en la
molécula. Las fórmulas químicas no indican la disposición de estos elementos.
Como veremos más adelante, a veces son varias estructuras diferentes que pueden
formarse basándose en una fórmula química.
4.8.
Ecuaciones químicas y
reacciones químicas
La reacción química es el proceso en que
una sustancia se combina con otra u otras sustancias, para producir sustancias
nuevas y un cambio de energía. Físicamente el proceso implica la
transfiguración de unas sustancias en otras con propiedades diferentes, como
cuando el hierro metálico que es lustroso y gris brillante se mezcla con el
oxígeno del aire para dar lugar al óxido férrico que es una sustancia opaca
roja incapaz de sostenerse como un metal, tendiendo a derruirse como un polvo
terroso al que se le denomina comúnmente óxido o herrumbre.
(4.1)
Ecuación
química de la fotosíntesis. Izquierda reactivos, derecha productos, la flecha
se llama produce, y lo que está arriba de la flecha son condiciones físicas o catalizadores.
Las ecuaciones químicas son los modelos matemáticos que empleamos para describir a las reacciones químicas en términos de cantidades de masa y cambios de energía. Un ejemplo es la ecuación química de la fotosíntesis (Ecuación 1) aquí a parte de las fórmulas moleculares tenemos numerales grandes a la izquierda de la fórmula, que indica cuantas moléculas están involucradas en la reacción, y la flecha que se lee como produce, el produce indica que a la izquierda las sustancias son reactivos consumidos por la reacción, los átomos de los reactivos son reorganizados junto con un cambio energético para generar las sustancias a la derecha de la flecha, que serán los productos. Por lo anterior en la ecuación de la fotosíntesis tenemos 6 moléculas de agua, y 6 moléculas de dióxido de carbono, que al reaccionar con los componentes de la planta y la energía del Sol se transmutan en 1 molécula de glucosa y 6 moléculas de dioxígeno.
5. La importancia del agua
La vida comenzó en el agua, y el agua es
la molécula más importante en la Tierra. Todos los organismos son 70-90% de
agua; sus células consisten en compartimentos membranosos que encierran
soluciones acuosas. La estructura de una molécula de agua le otorga propiedades
únicas. Estas propiedades juegan un papel importante en cómo funcionan los
organismos vivos.
5.1.
La estructura del agua
Los electrones compartidos entre dos
átomos en un enlace covalente no siempre se comparten por igual. Los átomos
difieren en su electronegatividad, es decir, su afinidad por los electrones en
un enlace covalente. Los átomos que son más electronegativos tienden a tener
más electrones compartidos que los que son menos electronegativos. Esta
distribución desigual de electrones hace que el enlace se vuelva polar, lo que
significa que los átomos en ambos lados del enlace están parcialmente cargados,
a pesar de que la molécula en general no soporta ninguna carga neta.
Figura 5.1.
El agua funciona como un imán. Los iones
positivos son rodeados por las puntas negativas del agua; y los iones negativos
por las puntas positivas, esto se conoce como la hidratación de un ion. Esta
integración con la estructura del agua líquida le permite a un soluto soluble
en agua desaparecer en esta a simple vista. Esta desaparición se conoce como
mezcla homogénea, disolución o simplemente solución.
Por ejemplo, en una molécula de agua, el
oxígeno comparte electrones con dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es más
electronegativo que el hidrógeno, por lo que los dos enlaces son polares. Los
electrones compartidos pasan más tiempo orbitando el núcleo de oxígeno que los
núcleos de hidrógeno, y esta distribución desigual de electrones hace que el
agua sea una molécula polar. Los enlaces covalentes están en ángulo, y la
molécula se dobla aproximadamente en forma de V. El punto de la V (oxígeno) es
el extremo negativo (-), y los dos hidrógenos son los dos extremos positivos (+).
La polaridad de las moléculas de agua hace
que se atraigan entre sí como si fueran pequeños imanes. Los átomos de
hidrógeno positivos en una molécula son atraídos por los átomos de oxígeno
negativos en otras moléculas de agua. Esta atracción se llama un enlace de
hidrógeno o puente de hidrógeno, y cada molécula de agua puede participar en
hasta cuatro puentes de hidrógeno. El enlace covalente es mucho más fuerte que
un puente de hidrógeno, pero la gran cantidad de puentes de hidrógeno en el
agua crean una fuerza de atracción fuerte. Las propiedades del agua se deben a
su polaridad y su capacidad para formar puentes de hidrógeno.
5.2.
Las propiedades del agua
A menudo damos por sentada el agua, pero
sin agua, la vida tal como la conocemos no existiría. Las propiedades del agua
que sustentan la vida son la solvencia, la cohesión y la adhesión, la alta
tensión superficial, la alta capacidad de calor y la densidad variable.
👉 Solvencia: Debido a su polaridad y capacidad de unión de hidrógeno, el agua disuelve
una gran cantidad de sustancias. Se dice que las moléculas atraídas por el agua
son hidrofílicas (hidro=agua, phil=amor). Las moléculas polares e
ionizadas son generalmente hidrofílicas, se pueden disolver o unir al agua
aparentando desaparecer (YouTube).
Se dice que las moléculas no ionizadas y no polares que no son atraídas por el
agua son hidrofóbicas (hidro=agua, phob=miedo). Cuando una sal como el cloruro
de sodio (NaCl) se pone en el agua, los extremos negativos de las moléculas de
agua son atraídos por los iones de sodio, y los extremos positivos de las
moléculas de agua son atraídos por los iones cloruro. Esta atracción provoca
que los iones de sodio y los iones de cloruro se rompan o se disocien en el
agua.
El agua también puede disolver sustancias
no iónicas polares, como largas cadenas de glucosa, formando puentes de
hidrógeno con ellas, pero para que esto ocurra, la molécula a disolver debe
tener átomos muy electronegativos como el oxígeno en su estructura. Cuando los
iones y las moléculas se dispersan en el agua, se mueven y colisionan,
permitiendo que ocurran las reacciones. El interior de nuestras células está
compuesto principalmente de agua, y la capacidad del agua para actuar como un
solvente permite que los átomos y las moléculas dentro de cada célula
interactúen y participen fácilmente en las reacciones químicas.
👉 Cohesión y adhesión: La cohesión se refiere a la capacidad de las moléculas de agua
para pegarse entre sí debido al puente de hidrógeno. Debido a la cohesión, el
agua existe como un líquido en condiciones normales de temperatura y presión,
con su tamaño molecular, las moléculas de tamaño semejante al agua que no
forman puentes de hidrógeno son gases en las mismas condiciones de presión y
temperatura. La fuerte cohesión de las moléculas de agua es evidente porque el
agua fluye libremente, aunque las moléculas no se separan entre sí. La adhesión
se refiere a la capacidad de las moléculas de agua para adherirse a otras
superficies polares. Esta habilidad se debe a la polaridad del agua. Los polos
positivo y negativo de las moléculas de agua hacen que se adhieran a otras
superficies polares.
Debido a la cohesión y adhesión, el agua
líquida es un excelente sistema de transporte, además que le permite fluir
pegada a otros objetos (YouTube).
Tanto dentro como fuera de la célula, el agua ayuda en el transporte de
nutrientes y materiales de desecho. Muchos animales multicelulares contienen
vasos internos en los que el agua ayuda al transporte de materiales. La porción
líquida de sangre, que transporta sustancias disueltas y suspendidas dentro del
cuerpo, es 90% de agua. La cohesión y la adhesión de las moléculas de agua
permiten que la sangre llene los vasos tubulares del sistema cardiovascular,
haciendo posible el transporte. La cohesión y la adhesión también contribuyen
al transporte de agua en las plantas. Las plantas tienen sus raíces ancladas en
el suelo, donde absorben el agua, pero las hojas se elevan y se exponen a la
energía solar. El agua que se evapora de las hojas se reemplaza inmediatamente
con moléculas de agua de los recipientes de transporte que se extienden desde
las raíces hasta las hojas. Debido a que las moléculas de agua son cohesivas,
se crea una tensión que tira de una columna de agua desde las raíces,
básicamente es un efecto de esponja. La adhesión del agua a las paredes de los recipientes
también ayuda a evitar que la columna de agua se rompa.
Debido a que las moléculas de agua en la
superficie se atraen más fuertemente entre sí que hacia el aire de arriba, las
moléculas de agua en la superficie se adhieren fuertemente entre sí. Por lo
tanto, decimos que el agua exhibe tensión superficial.
Figura 5.2.
Tensión superficial. Las moléculas de agua en la
superficie forman una laminilla fina, que se siente como plástico al contacto,
y le permite a algunos objetos permanecer en su superficie, siempre y cuando no
agiten el agua.
Cuanto más fuerte es la fuerza entre las
moléculas en un líquido, mayor es la tensión superficial. El puente de
hidrógeno es la fuerza principal que hace que el agua tenga una alta tensión
superficial. Si lentamente llenas un vaso de agua, puedes notar que el nivel
del agua forma una pequeña cúpula sobre la parte superior del vaso. Esto se
debe a la tensión superficial del agua.
👉 Capacidad calorífica: Los numerosos puentes de hidrógeno que unen las moléculas de agua
permiten que el agua absorba calor sin cambiar mucho la temperatura. La alta capacidad
de absorción de calor del agua es importante no solo para los organismos
acuáticos sino también para todos los organismos. Debido a que la temperatura
del agua aumenta y disminuye lentamente, los organismos terrestres son más
capaces de mantener sus temperaturas internas normales y están protegidos de
los rápidos cambios de temperatura.
El agua también tiene un alto calor de
vaporización: se necesita una gran cantidad de calor para romper los puentes de
hidrógeno en el agua, de modo que se vuelve gaseosa y se evapora en el medio
ambiente solo cuando se administran cantidades de energía muy elevadas. Si el
calor emitido por nuestras actividades metabólicas no fuera amortiguado por el
agua, la muerte seguiría de manera rápida ya que las proteínas que componen a
las células perderían sus estructuras funcionales.
Debido a la alta capacidad de calor del
agua y al alto calor de vaporización, las temperaturas a lo largo de la mayoría
de las costas de la Tierra son moderadas. Durante el verano, el océano absorbe
y almacena el calor solar; durante el invierno, el océano lo libera lentamente.
Por el contrario, las regiones interiores de los continentes experimentan
cambios bruscos de temperatura, y por ende tienden a ser desiertos en caso de
no ser atravesados por algún rio.
A diferencia de otras sustancias, el agua se expande a medida que se congela debido a que las moléculas de agua se organizan en cristales a medida que asumen su estado sólido, lo que explica por qué las latas de soda estallan cuando se colocan en un congelador y cómo las carreteras en los climas del norte se llenan de baches debido a la "helada" en el invierno. Como el agua se expande a medida que se congela, el hielo es menos denso que el agua líquida y, por lo tanto, el hielo flota sobre el agua líquida.
Figura 5.3.
La densidad del hielo permite la vida. Debido a que
el agua se congela de arriba hacia abajo, pues el hielo formado al ser menos
denso flota, la vida debajo de él se mantiene, pues el hielo es un aislante de
calor, una vez formada una capa gruesa, impide que el calor interno se escape,
manteniendo el agua líquida.
Si el hielo fuera más denso que el agua,
se hundiría, y los estanques, lagos e incluso el océano se congelarían, lo que
haría la vida imposible tanto en el agua como en la tierra. En cambio, los
cuerpos de agua siempre se congelan de arriba hacia abajo. Cuando un cuerpo de
agua se congela en la superficie, el hielo actúa como un aislante para evitar
que el agua debajo de él se congele, esto debido a que el bloque de hielo actúa
como un espejo que provoca que la energía proveniente de la luz rebote sin
convertirse en calor. Esto protege a los organismos acuáticos, para que puedan
sobrevivir el invierno. A medida que el hielo se derrite en la primavera, atrae
el calor del ambiente, lo que ayuda a evitar un cambio repentino de temperatura
que podría ser perjudicial para la vida.
6. Introducción a los ácidos y las bases
El agua tiene una habilidad extraña, y es
la de reaccionar consigo misma de manera reversible, liberando una cantidad
igual de iones de hidrógeno (H+) e iones de hidróxido (OH-).
Podemos determinar si una solución es ácida o básica al examinar la proporción
de iones hidrógeno e hidróxido en la solución.
(6.1)
Auto-reacción
del agua líquida. Aunque el agua líquida se rompe, no lo hacen todas las
moléculas, de hecho, la cantidad de moléculas que se disocian es poca con
respecto a las formas iónicas generadas.
6.1.
Los iones de hidrógeno definen
la acidez
El jugo de limón, el vinagre, el jugo de
tomate y el café son todas soluciones ácidas. Las soluciones ácidas tienen un
sabor fuerte o agrio y, por lo tanto, a veces las asociamos con indigestión.
¿Qué tienen en común? Para un químico, los ácidos son sustancias que se
disocian en el agua y liberan iones de hidrógeno (H+). Por ejemplo,
un ácido importante es el ácido clorhídrico (HCl), que se disocia tal como se
muestra en (3).
Las soluciones ácidas tienen una mayor concentración de iones (H+)
que los iones (OH-). La acidez de una sustancia depende de cuán
completamente se disocia en el agua. El HCl se disocia casi por completo; por
lo tanto, se llama un ácido fuerte. Si se agrega ácido clorhídrico a un vaso de
precipitados de agua, la cantidad de iones de hidrógeno (H+) aumenta
enormemente.
(6.2)
Disociación
de un ácido fuerte. Los ácidos liberan hidrógenos de carga positiva.
6.2.
Los iones de hidrógeno también
definen la basicidad
La leche de magnesia y el amoníaco son
soluciones básicas (alcalinas) comunes con las que la mayoría de la gente está
familiarizada. Las soluciones básicas tienen un sabor amargo y se sienten
resbaladizas cuando están en el agua, y aunque la mayoría de sus propiedades
son opuestos a los de los ácidos, si tienen en común con estos que queman al
contacto con la piel cuando están muy concentradas. Para un químico, las bases
son sustancias que absorben iones de hidrógeno (H+). La base más
común es el grupo hidroxilo (OH-) que captura iones de hidrógeno
para formar nuevamente agua. Al igual que los ácidos, la fuerza de una base
está determinada por cuán completamente se disocia. La disociación del
hidróxido de sodio está casi completa; por lo tanto, se llama una base fuerte,
el amoniaco (NH3) por sí mismo es una base, por lo que también se le
considera una base fuerte. Si se agrega hidróxido de sodio (NaOH) a un vaso de precipitados
de agua, la cantidad de iones de hidróxido aumenta, y estos a su vez consumen
iones de hidrógeno (H+) bajando la acidez. Muchas bases fuertes,
como el amoníaco, son limpiadores domésticos útiles y muy comunes. El amoníaco
tiene un símbolo de veneno y tiene una fuerte advertencia de no ingerir el
producto. Ni los ácidos ni las bases concentrados deben probarse, porque son
bastante destructivos para las células.
6.3.
La escala de pH
El pH es una forma matemática de indicar
el número de iones de hidrógeno (H+) en una solución. La escala de
pH se usa para indicar la acidez o basicidad de una solución. La escala de pH
varía de 0 a 14, aunque sustancias ácidas concentradas pueden dar valores
negativos. Un pH de 7 representa un estado neutral en el que las concentraciones
de iones de hidrógeno e hidróxido son iguales, como en el agua pura. Un pH por
debajo de 7 es ácido porque la concentración de iones de hidrógeno, comúnmente
expresada en corchetes como ([H+]), es mayor que la concentración de hidroxilo, ([OH-]). Un pH superior a 7
es básico porque ([OH-]) es mayor que ([H+]). Además, a medida que bajamos la escala de pH de pH 7 a pH 0, cada
unidad tiene 10 veces la acidez ([H+]) de la unidad anterior. A medida que ascendemos en la escala de 7 a
14, cada unidad tiene 10 veces menos ([H+])de la unidad anterior.
Tabla
6.1.
Se considera ácida una sustancia con pH menor que 7; básica una con pH mayor
que 7; y neutra las de pH 8.
La acidez es inversa al pH, entre menor
es el valor de pH más ácida es la sustancia. Existen sustancias tan ácidas que
sus pH son negativos.
La escala de pH se diseñó para eliminar el
uso de números engorrosos o de notaciones científicas difíciles de entender.
Por ejemplo, las concentraciones de iones de hidrógeno de varias soluciones se
dan a la izquierda, y el pH está a la derecha en la Tabla 6.1.
El efecto del pH en los organismos se ilustra dramáticamente por el fenómeno conocido como lluvia ácida. Cuando se queman los combustibles fósiles, se producen dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, y se combinan con agua en la atmósfera para formar ácidos. Estos ácidos entran en contacto con organismos y objetos, lo que provoca daños o incluso la muerte. Los daños son generados debido a que el medio ácido tiene un efecto semejante a las altas temperaturas en las proteínas, es decir destruyen sus estructuras funcionales de manera irreversible, limitando las funciones vitales de las células no protegidas normalmente a un ambiente ácido.
Figura 6.1.
Acidez de algunas sustancias comunes. Diferentes
sustancias en nuestra vida cotidiana tienden a tener valores propios de acidez,
lo cual condiciona muchas de sus propiedades químicas.
6.4.
Amortiguadores de pH
Un amortiguador o buffer es un químico o
una combinación de químicos que mantiene el pH dentro de los límites
establecidos por el buffer. Los amortiguadores se resisten a los cambios de pH
porque pueden absorber el exceso de iones de hidrógeno (H+) o iones de hidroxilo (OH-). En el cuerpo humano, el
pH debe mantenerse dentro de un rango estrecho para mantener la homeostasis.
Las enfermedades como la diabetes y la insuficiencia cardíaca congestiva pueden
provocar una afección llamada acidosis, en la cual el cuerpo no puede
amortiguar la producción excesiva de iones (H+). Si no se trata, la acidosis puede causar una serie de problemas
de salud y puede provocar un coma o la muerte.
7. Introducción a los compuestos orgánicos
Durante la década de 1780 los científicos
comenzaron a realizar la distinción que ha perdurado hasta nuestros días entre
los compuestos inorgánicos y los compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos fueron definidos
como moléculas que podían ser obtenidas de los seres vivos. Los compuestos
inorgánicos por otra parte fueron definidos como sustancias que venían de
fuentes no vivas. De acuerdo con esta idea, era necesaria la intervención de
una “Fuerza Vital” para la síntesis de compuestos orgánicos. Dicha síntesis,
podía tomar lugar solo en el interior de los seres vivos y no podía llevarse a
cabo en frascos de vidrio de laboratorio.
Entre 1828 y 1850 un número de compuestos que eran claramente
“orgánicos” fueron sintetizados de fuentes que eran claramente “inorgánicas”.
La primera de estas síntesis, fue realizada por Friedrich Wohler en 1828.
Wohler encontró que el compuesto orgánico denominado urea (un constituyente de
la orina) podía ser sintetizado mediante la evaporación en solución acuosa del
compuesto inorgánico Cianato de Amonio, la propuesta era tan chocante que
muchos acusaron a Wohler de estar demente (Brooke, 1971; McKie, 1944; Ramberg,
2000).
A pesar de que el “Vitalismo” desapareció
lentamente de los círculos científicos después de la síntesis de Wohler las
distinciones entre química orgánica e inorgánica aún siguen en uso. Por
ejemplo, en el término “vitaminas orgánicas” las cuales son aisladas desde
fuentes biológicas y no sintetizadas artificialmente. Aunque es posible
argumentar que, en el aislamiento imperfecto de la vitamina orgánica se
encuentren otros compuestos útiles para el organismo que no se encuentran en la
vitamina sintética, cuando nos vamos a la molécula en sí misma que se deseaba
obtener, no existe distinción alguna entre ambas vitaminas, por ejemplo, la
vitamina C ya sea extraída de fuentes biológicas o sintetizada artificialmente
es la misma molécula, ahora su biodisponibilidad es una historia aparte.
Actualmente el estudio de los compuestos que se extraen de los seres vivos se
denomina a química de los productos naturales o incluso de forma mucho más
estricta por la bioquímica. Lo anterior es importante, porque nos ayuda a
definir a la vida como un sistema químico y físico, sujeto de ser entendido,
modificado y mejorado, ya sea por métodos naturales o artificiales. Por lo
anterior, excluimos al Vitalismo de cualquier discusión acerca del origen o
evolución de la vida en la tierra o de la síntesis de compuestos químicos
biológicos o de la misma fisiología de las células vivas.
7.1.
Las moléculas orgánicas
El estudio de la química se puede dividir en dos categorías principales: química orgánica y química inorgánica. La diferencia entre los dos es relativamente simple. La química orgánica es el estudio de moléculas orgánicas. Una molécula orgánica contiene átomos de carbono e hidrógeno. Las moléculas orgánicas constituyen porciones de células, tejidos y órganos. Una molécula inorgánica no contiene una combinación de carbono e hidrógeno. El agua (H2O) y la sal de mesa (NaCl) son ejemplos de moléculas inorgánicas.
Figura 7.1.
Moléculas orgánicas. En las sustancias orgánicas el
carbono forma cuatro enlaces, que pueden ser con otros elementos diferentes o
con otros átomos de carbono.
👉 El átomo de carbono: Una célula bacteriana
microscópica puede contener miles de moléculas orgánicas diferentes. De hecho,
parece haber una variación casi ilimitada en la estructura de las moléculas
orgánicas. ¿Qué hay sobre el carbono que hace que las moléculas orgánicas sean
tan diversas y complejas? Recuerde que el carbono, con un total de seis
electrones, tiene cuatro electrones en la capa externa y por ende tiene la
capacidad de generar 4 enlaces, y típicamente estos enlaces se entablan con los
elementos hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, los elementos que constituyen la
mayor parte del peso de los organismos vivos.
Como el carbono es pequeño y necesita
adquirir cuatro electrones, el carbono puede unirse con hasta cuatro elementos
más. Los átomos de carbono con mayor frecuencia comparten electrones con otros
átomos de carbono. El enlaces C — C estable y el resultado es que las cadenas
de carbono pueden ser bastante largas y/o ramificadas. Los hidrocarburos son
cadenas de átomos de carbono que también están unidas solo a los átomos de
hidrógeno. Cualquier átomo de carbono de una molécula de hidrocarburo puede
iniciar una cadena de ramificación, y un hidrocarburo puede volver sobre sí
mismo para formar un compuesto de anillo. El carbono también puede formar
dobles enlaces con otros átomos, incluido otro átomo de carbono.
La naturaleza versátil del carbono
significa que puede formar una variedad de moléculas con la misma fórmula
química (tipos de átomos) pero diferentes estructuras. Las moléculas con
diferentes estructuras, pero las mismas combinaciones de átomos, se llaman
isómeros. La química del carbono conduce a una gran diversidad estructural de
moléculas orgánicas. Dado que la estructura dicta función, esta diversidad
estructural significa que estas moléculas tienen una amplia gama de funciones
diversas, las cuales aumentan con la presencia, ausencia y disposición de los
grupos funcionales.
👉 Grupos funcionales: Los grupos funcionales de una molécula orgánica por lo tanto
ayudan a determinar sus propiedades químicas. Por ejemplo, las moléculas
orgánicas, como las grasas y las proteínas, que contienen grupos carboxilo
(—COOH) son tanto polares (hidrófilas o sea, solubles en agua) como débilmente
ácidas. Los grupos fosfato contribuyen a la estructura de los ácidos nucleicos,
como el ADN. Las proteínas y los aminoácidos poseen el grupo funcional amino
que contiene nitrógeno (—NH2).
Debido a que las células están compuestas
principalmente de agua, la capacidad de interactuar y ser soluble en agua
afecta profundamente la actividad de las moléculas orgánicas en las células.
Por ejemplo, los hidrocarburos son en gran parte hidrófobos (no solubles en
agua), pero si se agregan varios grupos funcionales (—OH)(como en la glucosa),
la molécula puede ser hidrófila (soluble en agua). Los grupos funcionales
también identifican los tipos de reacciones que sufrirá la molécula. Por
ejemplo, las grasas se forman por la interacción de moléculas que contienen
alcoholes y grupos carboxilo, y las proteínas se forman cuando los grupos
funcionales amino y carboxilo de los aminoácidos cercanos están unidos.
7.2.
Las biocompuestos
A pesar de su gran diversidad, las
moléculas biológicas se agrupan en solo cuatro categorías: carbohidratos,
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Usted está muy familiarizado con estas
moléculas porque se sabe que ciertos alimentos son ricos en carbohidratos,
lípidos o proteínas. Cuando digieres estos alimentos, se descomponen en
moléculas más pequeñas o subunidades. Luego, tu cuerpo toma estas subunidades y
construye a partir de ellas las grandes macromoléculas que componen tus
células. Los alimentos también contienen ácidos nucleicos, el tipo de molécula
biológica que forma el material genético de todos los organismos vivos, sin
embargo, estos son destruidos por los ácidos estomacales, así que del mismo
modo que con otras sustancias, lo que absorbes son las unidades para fabricar
tus propios ácidos nucleicos.
Figura 7.2.
Alimentos y biocompuestos. Algunos
alimentos contienen más de un biocompuesto en comparación de otros, por
ejemplo, las harinas de arroz, maíz, cebada, centeno y sus derivados son ricos
en carbohidratos aun cuando no tengan un sabor dulce; el queso, la mantequilla,
la margarina y el aceite son principalmente lípidos; y la carne, los huevos, la
leche y los granos poseen una mezcla de lípidos y proteínas. Es importante
consumir todos los tipos de alimento en proporciones correctas para no tener
problemas de desnutrición y/o sobrepeso.
Muchas de las moléculas biológicas están
compuestas de una gran cantidad de bloques de construcción similares, llamados
monómeros. Cuando se unen múltiples monómeros forman un polímero. Una proteína
puede contener cientos de monómeros de aminoácidos, y un ácido nucleico puede
contener cientos de monómeros de nucleótidos. ¿Cómo pueden los polímeros crecer
tanto? Del mismo modo que un tren aumenta de longitud cuando los vagones de
carga se juntan uno por uno, el polímero se alarga a medida que los monómeros
se unen uno detrás de otro.
El tipo más común de reacción química que
se utiliza para construir un polímero a partir de un grupo de monómeros se
denomina reacción de síntesis de deshidratación. Se llama así porque el
equivalente de una molécula de agua (H2O), que significa tanto un
(—OH) (grupo hidroxilo) como un H (átomo de hidrógeno), se elimina a medida que
ocurre la reacción. Para descomponer una molécula biológica, una célula usa un
tipo de reacción opuesto, es decir, hidrólisis por hidratación. Durante una
reacción de hidrólisis (hidro, agua, lisis, ruptura), un grupo (—OH) del agua
se une a un monómero y una H del agua se une al otro monómero, separándolos
entre sí. En otras palabras, el agua se usa para romper el enlace que contiene
los monómeros.
8. Carbohidrátos
En los organismos vivos, los carbohidratos se usan casi universalmente como fuente de energía inmediata. Sin embargo, para muchos organismos, como plantas y hongos, así como en los propios animales también tienen funciones estructurales. Los carbohidratos pueden existir como monómeros de sacáridos (azúcar) o como polímeros de sacáridos o polisacáridos. Típicamente, la glucosa de azúcar es un monómero común de polímeros de carbohidratos. El término carbohidrato puede referirse a una sola molécula de azúcar (monosacárido), dos moléculas de azúcar unidas (disacárido) o muchas moléculas de azúcar unidas (polisacárido).
Figura 8.1.
Diferentes modelos moleculares para una misma sustancia.
Existen muchas formas de representar una fórmula química, las tres primeras
representan a la glucosa linealmente, siendo las más empleada la tercera,
llamada fórmula de esqueleto, donde los carbonos se asumen implícitamente en
las aristas. La cuarta fórmula se llama hemiacetal y representa la
configuración más común de la glucosa, como anillo.
En los organismos vivos, los carbohidratos
se usan casi universalmente como fuente de energía inmediata. Sin embargo, para
muchos organismos, como plantas y hongos, así como en los propios animales
también tienen funciones estructurales. Los carbohidratos pueden existir como
monómeros de sacáridos (azúcar) o como polímeros de sacáridos o polisacáridos.
Típicamente, la glucosa de azúcar es un monómero común de polímeros de
carbohidratos. El término carbohidrato puede referirse a una sola molécula de
azúcar (monosacárido), dos moléculas de azúcar unidas (disacárido) o muchas
moléculas de azúcar unidas (polisacárido).
👉 Monosacáridos: Debido a que los monosacáridos tienen una sola molécula de
azúcar, también se conocen como azúcares simples. Un azúcar simple puede tener
una cadena principal de carbono que consta de tres a siete carbonos. Los
monosacáridos y los carbohidratos en general, a menudo poseen muchos grupos funcionales
(—OH) polares,
que los hacen solubles en agua. En un entorno acuático, como el que se
encuentra dentro de nuestras células, los carbohidratos a menudo forman una
estructura similar a un anillo, como se puede ver mediante el examen de la
fórmula estructural de la glucosa.
Glucosa: con seis átomos de carbono, tiene una fórmula molecular de C6H12O6. La glucosa tiene dos isómeros importantes, llamados fructosa y
galactosa, pero aun así, generalmente pensamos en la glucosa cuando vemos la
fórmula C6H12O6
(8.1)
Los organismos fotosintéticos, como las plantas y las bacterias,
fabrican glucosa usando energía del sol. Esta glucosa se usa como la fuente de
energía inmediata preferida para casi todos los tipos de organismos. En otras
palabras, la glucosa tiene un papel central en las reacciones de energía de las
células.
Ribosa y desoxirribosa: con cinco átomos de carbono, son importantes porque se encuentran
en los ácidos nucleicos ARN y ADN, respectivamente. El ARN y el ADN se discuten
más adelante en esta sección.
Galactosa: es un azúcar simple o monosacárido formado por seis átomos de carbono o hexosa, que se convierte en glucosa en el hígado como aporte energético. Además, forma parte de los glucolípidos y las glucoproteínas de las membranas celulares, sobre todo de las neuronas.
(8.2)
La diferencia de la galactosa y la glucosa es la organización
espacial de uno de los grupos funcionales hidroxilo. Aunque el cambio parece
ser superficialmente mínimo, a nivel celular es radicalmente importante.
Fructosa: levulosa, es un tipo de azúcar encontrado en los vegetales, las
frutas y la miel. Es un monosacárido con la misma fórmula empírica que la
glucosa, C6H12O6
(8.3)
El disacárido llamado sacarosa o azúcar común está formado por la
unión de una molécula de fructosa y otra molécula de glucosa. Este disacárido
puede romperse fácilmente por hidrólisis, liberando las dos moléculas
constituyentes. Si este proceso se lleva a cabo en la industria, la mezcla
resultante se llama azúcar invertido.
👉 Disacáridos: Un disacárido contiene dos
monosacáridos unidos por una reacción de síntesis de deshidratación. Algunos
disacáridos comunes son maltosa, sacarosa y lactosa.
Maltosa: es un disacárido que contiene dos subunidades de glucosa. La
elaboración de la cerveza depende de la maltosa, generalmente obtenida de la
cebada.
(8.4)
Durante la producción de cerveza, la levadura descompone la maltosa
y luego utiliza la glucosa como fuente de energía en un proceso llamado
fermentación. Un producto de desecho de esta reacción es el alcohol etílico,
responsable de los efectos narcotizantes de las bebidas alcohólicas.
Sucrosa/sacarosa: un disacárido adquirido de la remolacha azucarera y la caña de
azúcar, es de especial interés porque la usamos como edulcorante “endulzante”.
Nuestros cuerpos digieren la sacarosa en sus dos monómeros, glucosa y fructosa.
Más tarde, la fructosa se convierte en glucosa, nuestra fuente de energía
habitual. Si el cuerpo no necesita más energía en este momento, la glucosa se
puede metabolizar a la grasa. Mientras que la glucosa es la fuente de energía
de elección para las células animales, la grasa es la forma de almacenamiento
de energía primaria del cuerpo. Es por eso que comer muchos postres azucarados
puede hacerte subir de masa y, por ende, de peso.
(8.5)
Muchas bebidas comerciales, incluidas muchas bebidas de cola,
contienen jarabe de maíz con alto contenido de fructosa (HFCS por sus siglas en
inglés). En la década de 1980, se desarrolló un método comercial para convertir
la glucosa en jarabe de maíz en fructosa con un sabor mucho más dulce. Los
nutricionistas no están a favorde comer alimentos altamente procesados que
sean ricos en sacarosa, HFCS y almidones blancos. Dicen que estos alimentos
proporcionan calorías "vacías", lo que significa que, aunque suministran
energía, no suministran ninguna de las vitaminas, minerales y aceites
necesarios en la dieta. Por el contrario, los alimentos mínimamente procesados
proporcionan glucosa, almidón y muchos otros tipos de moléculas nutritivas.
Lactosa: es un disacárido que se encuentra comúnmente en la leche. La
lactosa contiene una molécula de glucosa combinada con una molécula de
galactosa.
(8.6)
Las personas que son intolerantes a la lactosa pueden saborearla,
pero no pueden descomponer al disacárido lactosa. El disacárido se mueve a
través del tracto intestinal sin digerir, donde las bacterias intestinales
normales lo utilizan como fuente de energía con una consecuente liberación de
gases. Los síntomas de la intolerancia a la lactosa incluyen dolor abdominal,
gases, hinchazón y diarrea.
👉 Polisacáridos: son polímeros de monosacáridos, generalmente glucosa. Algunos
tipos de polisacáridos funcionan como moléculas de almacenamiento de energía a
corto plazo porque son mucho más grandes que un monosacárido y son
relativamente insolubles. Los polisacáridos no pueden pasar fácilmente a través
de la membrana plasmática y se mantienen (almacenan) dentro de la célula.
Almidón: Las plantas almacenan glucosa en forma de almidón. Por ejemplo,
las células de una papa contienen gránulos de almidón, que actúan como un lugar
de almacenamiento de energía durante el invierno para crecer en la primavera.
El almidón existe en dos formas: una no ramificada y la otra ligeramente
ramificada.
Glucógeno: Los animales almacenan la glucosa como glucógeno, que es más
ramificado que el almidón. La ramificación somete a un polisacárido a más
ataques por enzimas hidrolíticas; por lo tanto, la ramificación hace que un
polisacárido sea más fácil de descomponer. El almacenamiento y la liberación de
glucosa de las células hepáticas están controlados por hormonas, como la
insulina.
Celulosa: Algunos tipos de polisacáridos funcionan como componentes
estructurales de las células. Un ejemplo es la celulosa, que es la más
abundante de todos los carbohidratos. Las paredes celulares de plantas y algas
contienen celulosa y, por lo tanto, se pueden encontrar en todos los tejidos de
una planta. Muchos productos comerciales, desde madera hasta papel, están
hechos de celulosa. Los enlaces que unen las subunidades de glucosa en la
celulosa son diferentes de los encontrados en el almidón y el glucógeno. Como
resultado, la molécula no tiene espiral o tiene ramas. Las largas cadenas de
glucosa se mantienen paralelas entre sí mediante enlaces de hidrógeno para
formar microfibrillas fuertes, que se agrupan en fibras. Las fibras se
entrecruzan dentro de las paredes de las células de la planta para una mayor
resistencia. La estructura de enlace diferente significa que los sistemas
digestivos de los animales no pueden hidrolizar la celulosa, pero algunos
microorganismos tienen esta capacidad. Las vacas y otros rumiantes tienen una
bolsa interna llamada rumen, donde los microorganismos descomponen la celulosa
en glucosa. En los humanos, la celulosa tiene el beneficio de servir como fibra
dietética, que mantiene la eliminación regular y la salud del sistema
digestivo, aunque debido a nuestro apéndice diminuto, somos incapaces de
emplearla como fuente de energía.
La fibra: se compone principalmente de
los carbohidratos no digeribles que pasan a través del sistema digestivo. La
mayoría de fibra se deriva de los carbohidratos estructurales de las plantas.
Estos incluyen materiales tales como celulosa, pectinas y lignina. La fibra no
es realmente un nutriente, ya que no lo usamos directamente para la energía o
la construcción de células, pero es un componente extremadamente importante de
nuestra dieta. La fibra no solo agrega volumen al material en los intestinos,
lo que hace que el colon funcione normalmente, sino que también une muchos
tipos de sustancias químicas nocivas en la dieta, incluido el colesterol, y
evita que se absorban. Hay dos tipos básicos -insoluble y soluble. La fibra
soluble se disuelve en el agua y actúa en la unión del colesterol. El fibra
soluble se encuentra en muchas frutas, así como en los granos de avena. La
fibra insoluble proporciona volumen al material fecal y se encuentra en
salvado, nueces, semillas y alimentos integrales.
Quitina: es un polímero de moléculas de glucosa. Sin embargo, en la
quitina, cada subunidad de glucosa tiene un grupo amino (—NH2) unido
a ella. Dado que los grupos funcionales unidos a las moléculas orgánicas
determinan sus propiedades, la quitina es químicamente diferente de otros
polímeros de glucosa, como la celulosa, a pesar de que el enlace entre las
moléculas de glucosa es muy similar. La quitina se encuentra en una variedad de
organismos, incluidos animales y hongos. En animales como insectos, cangrejos y
langostas, la quitina se encuentra en el esqueleto externo o exoesqueleto. A
pesar de que la quitina, al igual que la celulosa, no es digerible para los
humanos, todavía tiene muchos buenos usos. Las semillas están cubiertas con
quitina, y esto las protege del ataque de los hongos del suelo. Debido a que la
quitina también tiene propiedades antibacterianas y antivirales, se procesa y
utiliza en medicina como material para vendaje y sutura. La quitina es incluso
útil durante la producción de cosméticos y diversos alimentos.
Heparina: es un polisacárido que no tiene función ni estructural ni
energética, los pulmones de los vertebrados la sintetizan para evitar la
coagulación de la sangre en los capilares o alveolos cuando se da un trauma
pulmonar, este coagulante permite que el flujo de sangre continúe y de este
modo también lo haga el intercambio de gases. Existen muchos otros
polisacáridos complejos, muchos de ellos hacen parte de las paredes celulares
de bacterias y hongos debido a su dificultad para ser biodegradados, y al hecho
de que forman estructuras resistentes pero flexibles, con propiedades
semejantes a los plásticos fabricados por el ingenio humano.
9. Lípidos
Aunque las moléculas clasificadas como
lípidos son bastante variadas, tienen una característica en común: todas son
hidrófobas e insolubles en agua. Puede haber notado que el aceite y el agua no
se mezclan. Por ejemplo, los aderezos para ensaladas son ricos en aceites
vegetales. Incluso después de una sacudida para intentar mezclarlos, el aceite
vegetal se separará del agua. Esto se debe al hecho de que los lípidos poseen
largas cadenas de hidrocarburos no polares y una relativa falta de grupos
funcionales hidrófilos que impiden unirse a la estructura de puentes de
hidrógeno del agua, así que con el tiempo la red de puentes de hidrógeno
excluye a los que no se integran a ella.
(9.1)
Ácido
nonanoico.
Estructura básica de un ácido carboxílico,
cada uno de los círculos amarillos representan posiciones donde se ubican
átomos de carbono e hidrógeno, aunque regularmente solo se los señala como
carbonos, en un extremo se encuentra el grupo carboxilo caracterizado por la
disposición de dos átomos de oxígeno.
Los lípidos son muy diversos y tienen estructuras
y funciones variadas. Las grasas (como la grasa de tocino, la manteca de cerdo
y la mantequilla) y los aceites (como el aceite de maíz, el aceite de oliva y
el aceite de coco) son algunos de los lípidos conocidos. Puede preguntarse
acerca de las diferencias entre estos términos. En general, las grasas son
sólidas a temperatura ambiente, mientras que los aceites son líquidos a
temperatura ambiente. En los animales, las grasas se utilizan tanto para el
aislamiento como para el almacenamiento de energía a largo plazo. Se utilizan
para aislar a los mamíferos marinos de las frías aguas árticas y para proteger
nuestros órganos internos del daño. En lugar de grasas, las plantas usan
aceites para el almacenamiento de energía a largo plazo. En los animales, las
secreciones de las glándulas sebáceas ayudan a proteger la piel, el cabello y
las plumas a prueba de agua, hacerlas más brillantes y manejables, lo cual es
un indicador de buena salud.
Las grasas y los aceites contienen dos
tipos de moléculas de subunidades: glicerol y ácidos grasos. El glicerol
contiene tres grupos (—OH). Los grupos (—OH) son polares; por lo tanto, el
glicerol es soluble en agua.
(9.2)
Glicerol.
Aunque no es una grasa, el glicerol es importante para poder fabricarlas.
Un ácido graso tiene una larga cadena de
átomos de carbono unidos únicamente a hidrógeno, con un grupo carboxilo en un
extremo. Se forma una grasa o un aceite cuando las porciones de carboxilo de
tres ácidos grasos reaccionan con los grupos (—OH) de glicerol. Esta es una
reacción de síntesis de deshidratación porque, además de una molécula de grasa,
resultan tres moléculas de agua. Las grasas y los aceites se degradan durante
una reacción de hidrólisis, en la que se agrega agua a la molécula. Debido a
que tres ácidos grasos largos se unen a la molécula de glicerol, las grasas y
los aceites también se llaman triglicéridos. Esta estructura puede acumular
mucha energía en una molécula, de hecho, el truco de la grasa es almacenar más
energía por unidad de espacio que los carbohidratos, o lo que es lo mismo, se
requeriría más espacio almacenar energía en forma de carbohidratos, lo cual nos
haría ver aún más gordos. Por lo tanto, es lógico que las grasas y los aceites
sean las principales moléculas de almacenamiento de energía a largo plazo del
cuerpo.
(9.3)
Triglicérido.
Analizaremos a mayor profundidad a las
grasas en los capítulos de membrana celular y sistema endocrino.
10. Ácidos nucleicos y otros factores
Los dos ácidos nucleicos naturales
conocidos como ADN y ARN son polímeros de nucleótidos unidos por grupos fosfato
que les otorgan sus propiedades ácidas. Los ácidos nucleicos poseen una función
de almacenamiento de la información genética, la cual es básicamente la
estructura de las proteínas, así como el modo en que las proteínas pueden
interactuar con los ácidos nucleicos para realizar funciones complejas de
regulación o de producción de proteínas. Metabólicamente hablando el ARN puede
plegarse tridimensionalmente para realizar funciones biológicas, algo semejante
a lo que hacen las proteínas y en consecuencia se les adjudica el nombre de
ribozimas.
10.1.
Coenzimas
El metabolismo involucra un vasto cumulo
de reacciones químicas, y muchas de estas reacciones se conocen como
transferencia de grupos químicos, por ejemplo, el grupo fosfato. Los grupos
químicos son conglomerados fijos de átomos con un tamaño molecular pequeño en
comparación a una proteína. Estos grupos de transferencia se denominan
coenzimas. Una de las coenzimas más importantes es el trifosfato de adenosina o
ATP, la cual es la unidad básica de transferencia energética de todos los seres
vivos. Este nucleótido puede transferir o transportar tres grupos fosfato. Las
vitaminas también son coenzimas, en este caso son sustancias que transportan
los grupos químicos desde el exterior, esto sucede en caso de que la propia
célula sea incapaz de fabricar la coenzima específica. A medida que trabajemos
los diferentes metabolismos varias coenzimas empezaran a hacerse notar uniendo
los procesos anabólicos y catabólicos como el NAD, el NADP, el FAD el ATP,
entre otros.
10.2.
Minerales y cofactores
Las sustancias conocidas como inorgánicas
juegan un rol vital en los organismos, si ya se, que parece fuera de lugar, sin
embargo, la palabra inorgánico es solo una herencia de la tradición del
vitalismo que separaba la química de la vida de la química no viva. Con el paso
de los años nos hemos percatado que tal distinción es artificial, pero las
palabras tienen poder en sí mismas. Las sustancias inorgánicas son parte de las
orgánicas o permiten su funcionamiento, por lo que su acción en los
metabolismos es crucial, como es el caso de los iones sodio(1+) potasio(1+),
cloruro(1-), o protio(1+). Muchos de estos iones actúan como electrolitos que
alteran la presión osmótica de la membrana, valor importante en operaciones
metabólicas como la síntesis de ATP al final de la respiración celular
aeróbica.
Los metales pesados como el hierro(3+) se
emplean como elementos traza, aunque tal expresión es engañosa, ya que su baja
cantidad lleva a pensar que son poco importantes, cuando es todo lo contrario.
Varias enzimas vitales son marcos para el funcionamiento de núcleos de metales
pesados como en el caso de la hemoglobina. Estas uniones entre metales y
proteínas se denominan metalproteínas. Muchas de estas sustancias se adicionan
secundariamente a la proteína para que esta pueda tomar su forma activa, por lo
que son denominadas cofactores.
11. Proteínas
Las proteínas son macromoléculas que
pueden llevar a cabo virtualmente todas las actividades de la célula, excepto
por aquellas relacionadas con el almacenamiento basal de la información
genética. Las proteínas pueden entenderse parcialmente con la analogía de
herramientas o máquinas que hacen que las cosas sucedan. Como enzimas, las
proteínas son capaces de acelerar tremendamente la tasa de las reacciones
metabólicas; como unidades estructurales, las proteínas pueden conformar
esqueletos flexibles y móviles, tanto al interior de las células como en sus
perímetros circundantes.
Figura 11.1.
Las proteínas y sus funciones. Estructuras
como el cabello o las plumas se encuentran hechas de proteínas, que les otorgan
no solo su estructura básica, sino también sus colores representativos. Como
hormonas y factores de crecimiento, las proteínas transmiten órdenes por el
cuerpo permitiendo que este pueda organizarse de manera coordinada para
relacionarse con el medioambiente del individuo. Algunas proteínas pueden
incluso unirse a fragmentos del ADN impidiendo la activación de los genes y por
lo tanto regulando la expresividad del genoma a un nivel epigenético.
Como receptores de membrana las proteínas
median la interacción de la célula con el medioambiente, sirviendo como
activadores o como puertas de ingreso a diversas sustancias, siendo las
principales responsables del transporte pasivo y del transporte activo a través
de la membrana de la célula y de los organelos. Las proteínas pueden funcionar
como factores del sistema inmune alertando a las células para que devoren a los
invasores, como venenos o toxinas para atacar a los depredadores, a las presas
o a los competidores, y como factores reguladores de la homeostasis, como por
ejemplo impidiendo que se pierda sangre ante un corte como factores de
coagulación.
¿Cómo es que un tipo de moléculas puede
tener tantas funciones diferentes? La explicación reside en que las proteínas
pueden asumir virtualmente cualquier forma, de hecho, eso es lo que significa
su nombre, pero no son formas rígidas, la estructura de las proteínas es
flexible e incluso mecánica, lo cual les permite formar entramados que son
describibles en términos de máquinas moleculares con propiedades químicas.
Aunque como tipo, la forma de las
proteínas es casi que infinita, como moléculas individuales, la estructura de
una proteína es específica, y solo lo comparte con aquellas proteínas de una
misma familia que comparten un pasado evolutivo común. Adicionalmente las
reacciones o movimientos que hacen las proteínas no son absolutamente
específicos, pues no funcionan como un código, por ejemplo las enzimas
catalizaran reacciones químicas semejantes para reactivos semejantes, por medio
de la selección natural se puede restringir el número de reacciones semejantes
catalizadas, pero generalmente siempre hay un grupo de reactivos secundarios
posibles para una enzima por muy específica que esta pueda ser, estas
reacciones cruzadas son culpables entre otras de permitir la entrada de agentes
infecciosos potencialmente letales al cuerpo o de permitir las adicciones por
reacciones cruzadas con sustancias externas parecidas a las que el propio
cuerpo produce.
Tomando en cuenta que las reacciones
cruzadas son pocas con respecto a todas las reacciones químicas que ocurren
naturalmente sin las enzimas, estas exhiben una gran especificidad. Por
ejemplo, una enzima que corta el ADN puede detectar secuencias de hasta 8
nucleótidos, ignorando a unas 65.535 combinaciones posibles.
11.1.
Funciones
Las proteínas son de importancia
primordial en la estructura y función de las células. Estas son algunas de sus
muchas funciones:
👉 Soporte: Algunas proteínas son
proteínas estructurales. Los ejemplos incluyen la proteína en telarañas;
queratina, la proteína que contribuye al cabello y las uñas; y colágeno, la
proteína que ayuda a la piel, los ligamentos y los tendones.
👉 Metabolismo: Muchas proteínas son
enzimas. Reúnen los reactivos y actúan como catalizadores, acelerando las
reacciones químicas en las células. Las enzimas son específicas para tipos
particulares de reacciones y pueden funcionar a la temperatura corporal.
👉 Transporte: Canales iónicos y las
proteínas transportadoras en la membrana plasmática permiten que las sustancias
entren y salgan de las células. Otras proteínas transportan moléculas en la
sangre de animales; por ejemplo, la hemoglobina, que se encuentra en los
glóbulos rojos, es una proteína compleja que transporta oxígeno.
👉 Defensa: Algunas proteínas,
llamadas anticuerpos, se combinan con agentes causantes de enfermedades para
evitar que esos agentes destruyan las células y causen enfermedades y
trastornos.
👉 Regulación: Las hormonas son
proteínas reguladoras. Sirven como mensajeros intercelulares que influyen en el
metabolismo de las células. Por ejemplo, la hormona insulina regula la
concentración de glucosa en la sangre, mientras que la hormona de crecimiento
humana (hGH) contribuye a determinar la altura de un individuo.
👉 Movimiento: Las proteínas
contráctiles actina y miosina permiten que partes de las células se muevan y
provoquen la contracción de los músculos. La contracción muscular permite a los
animales moverse de un lugar a otro y sustancias para moverse a través del
cuerpo. También regula la temperatura corporal.
Las estructuras y funciones de las células
difieren según los tipos de proteínas que contienen. Las células musculares
contienen actina y miosina; los glóbulos rojos contienen hemoglobina; las
células de soporte producen el colágeno que secretan. Mientras que las
proteínas pueden ser empleadas como fuente de energía de emergencia.
11.2.
Los aminoácidos
Los aminoácidos son la base para la
creación de las proteínas. Las proteínas son largas cadenas lineales de
aminoácidos unidos por medio del enlace peptídico. Las proteínas cumplen una
infinidad de roles debido a que las interacciones débiles de un aminoácido con
sus vecinos provocan u plegamiento de la cadena y la conformación de
estructuras tridimensionales dinámicas que son capaces de realizar funciones
mecánicas, químicas o ambas. Las principales proteínas con funciones químicas
se denominan enzimas, las cuales son las que regulan el metabolismo en sí.
Otras proteínas poseen funciones mecánicas y/o estructurales como las proteínas
retractiles del citoesqueleto celular. Las proteínas también son importantes en
la señalización celular, aspecto importante para las funciones inmune, de
adhesión y transporte de sustancias a través de membranas. En caso de
necesidad, los aminoácidos pueden ser degradados a amoníaco, agua y dióxido de
carbono para producir energía celular, impulsando el ciclo de Krebs, el cual es
una de las rutas metabólicas más importantes. Sin embargo, el uso de los
aminoácidos como fuente de energía es raro, y la célula generalmente emplea
carbohidratos o lípidos para esa función.
👉 Características
de los aminoácidos: Todos os
aminoácidos poseen un grupo carboxilo que les da sus propiedades ácidas y un
grupo amino. Los grupos carboxilos en solución acuosa al ser ácidos liberan un
protón y tienden a hacerse negativos, mientras que los grupos amino captura el
protón y tienden a hacerse positivos, esto le otorga a los aminoácidos y a las
proteínas cargas electrostáticas que son importantes para sus propiedades
químicas.
(11.1)
Estructura
general de un aminoácido.
Al igual que los carbohidratos, los
aminoácidos posee carbonos quirales, lo que conlleva a la formación de
esteroisómeros, y al igual que con los carbohidratos, los seres vivos tienden a
usar preferentemente aminoácidos de una sola de las configuraciones ópticas
“derecha o izquierda”, aunque algunas estructuras emplean mezclas racémicas “en
las cuales se mezclan los dos isómeros ópticos”. La configuración óptica de la
mayoría de los aminoácidos en los seres vivos es levógira, o de giro izquierdo.
👉 Enlace
peptídico: Los aminoácidos se
unen unos con otros por medio den enlace peptídico que resulta de la unión
entre un grupo carboxilo cargado negativamente con un grupo amino cargado
positivamente de un aminoácido vecino. El proceso elimina una molécula de
agua. Una cadena peptídica por lo tanto
posee un esqueleto de carbonos y nitrógenos, con grupos específicos (R)
laterales que otorgan propiedades concretas.
(11.2)
Dos
aminoácidos unidos por un enlace peptídico.
Una cadena polipeptídica consta de unos
450 aminoácidos. El polipéptido más largo encontrado en la proteína titina
contiene más de 30 000 aminoácidos. Una vez incorporados en una cadena
polipeptídica los aminoácidos se denominan residuos. Dos residuos son
importantes, el que expone el grupo amino que se denomina terminal en N o N
terminal, mientras que su opuesto se denomina C terminal y es quien expone el
grupo carboxilo cargado negativamente.
👉 Residuos: Los residuos de una proteína no se
limitan a los 20 aminoácidos posibles, pues pueden existir adiciones de otros
tipos de sustancias como carbohidratos para producir glicoproteínas, grupos
orgánicos para producir flavoproteínas y grupos metálicos para producir
metal-proteínas. Las metal-proteínas son bastante relevantes ya que sin
fundamentales en procesos básicos del metabolismo que una proteína en si no
puede hacer, siendo esta un marco para un mejor funcionamiento del metal. Las
propiedades químicas de los 20 residuos y otras sustancias es lo que les da a
las proteínas la enorme versatilidad bioquímica. Algunas cadenas pueden tener
cargas electrostáticas netas, siendo hidrofilias y por ende solubles en agua,
mientras que otras cadenas pueden tener una carga neta de cero, y por ende ser
hidrófóbicas, siendo solubles en grasas y aceites.
11.3.
Estructura
La función de una proteína depende de su
forma, no de su código, y aunque el código determina la forma de la proteína,
puede darse casos en que diferentes códigos generan la misma estructura. En
cualquier caso, si hablamos en términos básicos podemos decir simplemente que
la proteína funciona en la medida que su forma le permite ejecutar dicha
función, de forma tal que las proteínas son el mejor ejemplo de la relación
forma-función que existe en la biología. Clásicamente la forma de la proteína
se ha estudiado bajo los conceptos de niveles estructurales llamados primario,
secundario, terciario y cuaternario, aunque algunos biólogos insisten en la
existencia de un nivel 2,5 para explicar algunos problemas o fenómenos
evolutivos de las proteínas que son bastante relevantes.
👉 Estructura
primaria: La estructura primaria
de una proteína es su secuencia lineal de residuos, cada posición puede
reemplazarse por 20 residuos diferentes, lo cual otorga gran variabilidad a una
secuencia que puede superar los 100 residuos diferentes.
Figura 11.2. Estructura primaria de las proteínas.
La información para la organización
precisa de los residuos depende de la estructura del ARN mensajero, y a su vez
esta depende de la estructura del ADN. En consecuencia, estamos hablando de una
transferencia estructural de una molécula a otra, fenómeno que los humanos
generalmente consideramos bajo la analogía de la información genética.
👉 Estructura secundaria: Toda materia existe en el espacio y en consecuencia posee una estructura tridimensional, para el caso de las proteínas esto implica que las interacciones débiles y fuertes de los residuos provoca el plegamiento de la secuencia en una maraña compleja pero organizada. No todos los residuos poseen la misma importancia en este plegamiento, por lo que existirán unas posiciones principales que aseguran el plegamiento normal y unas posiciones secundarias que pueden experimentar cierto grado de variabilidad sin que la forma general cambie radicalmente.
Figura 11.3. Estructura secundaria de las proteínas.
A pesar de que el plegamiento es complejo,
no es caótico, generando dos tipos de estructuras denominadas hélices alfa y
láminas beta.
👉 Módulos: Los módulos son sumas de varias hélices y láminas que permiten la
realización de una sola función bioquímica, pero que fuera de un contexto más
general no son específicos, y se los puede asimilar con los dominios activos,
aunque hay módulos netamente estructurales. Por ejemplo, los dominios proteasa
de serina que cortan posiciones específicas de algunos péptidos pueden
encontrarse en diferentes proteínas de diferentes contextos. Los módulos son
una unidad evolutiva de las proteínas que permite entender la evolución de
estas, pues muchas proteínas aparentemente nuevas parecen ser solo la
recombinación de dos o más módulos de diferentes proteínas antiguas más otras
secuencias nuevas. Por lo general el nivel de complejidad del módulo no es
analizado por la mayoría de los libros de texto (Bornberg-Bauer & Alba,
2013; Broom et al., 2012; van Dam et al., 2013). exactamente iguales. Una vez que los dos módulos quedan conectados
en un solo producto génico, uno de ellos puede acumular SNP sin riesgo de
selección negativa para su portador. Con el tiempo uno de los módulos puede
evolucionar
Bueno ¿y cómo aparece una proteína
multimodular en primera instancia?, bueno esto no ocurre en las mutaciones de
genoma completo, pero lo explicaremos aquí de todas formas. Por lo general los
genes están flanqueados por secuencias regulatorias y un iniciador de la
secuencia, así como un finalizador, el cual le dice a las enzimas
especializadas –inicie a leer aquí y termine de leer aquí. Si una mutación
corte de forma tal que el segmento duplicado queda en tándem con respecto al
viejo borrando la sección de terminación, la enzima leerá las dos secciones
generando un único mensajero.
Este mensajero único al ser leído por el
ribosoma creará una proteína el doble de grande con dos dominios a la perdida
de la función, con lo que se convertiste en un elemento estructural de la
proteína o a una nueva función, generando una proteína con múltiples dominios
funcionales.
👉 Estructura terciaria: La estructura terciara habla de la conformación de una sola proteína funcional, la cual está compuesta por varios dominios, más una estructura que los une a todos. La estructura terciara de las proteínas generalmente es determinada empleando la técnica de la cristalografía de rayos X. Sin embargo, dicha técnica conllevó a que por muchos años se concibiera a la estructura terciara de la proteína como una entidad fija, sin embargo, muchas proteínas poseen una estructura variable, la analogía más cercana a este dinamismo es la de una estructura palpitante que cambia de forma rítmicamente de forma muy compleja.
Figura 11.4. Estructura terciaria. Tanto los módulos, como
las estructuras terciarias y cuaternarias son combinaciones de hélices y
láminas capaces de moverse mecánicamente e involucrarse en reacciones químicas.
👉 Estructura
cuaternaria: Al igual que varios
dominios se unen para formar una proteína, varias proteínas pueden unirse para
formar entidades macromoleculares más complejas, conocidas como proteínas
cuaternarias. En este sentido, cada una de las proteínas terciarias originales
se conocen como subunidades, y cada una de estas subunidades puede contener dos
o más dominios, semejantes o diferentes a los de las demás subunidades. Si
están compuestas por el mismo tipo de subunidad se llaman homomeros y si están
compuestos por diferentes tipos de subunidad se llaman heterómeros. Se emplean
prefijos di, tri, tetra, entre otros para distinguir si hay dos, tres, cuatro o
más subunidades. De esta forma una proteína cuaternaria conformada por dos
subunidades iguales se llama homodímero.
👉 Complejos
multiprotéicos: Los niveles de
complejidad de las proteínas son diversos, de esta forma podemos tener que
varias proteínas de nivel cuaternario se unan para conformar un complejo
multiprotéico. Un ejemplo de un complejo multiprotéico es la priruvato
deshidrogenasa encontrada originalmente en Escherichia
coli, el cual consiste en tres proteínas cuaternarias. Las tres enzimas
conectan una compleja serie de reacciones que deben ejecutarse rápido tanto en
el tiempo como en el espacio de dos rutas metabólicas diferentes. Debido a que
los dominios activos se encuentran físicamente juntos, los productos de un
dominio pueden transferirse rápidamente como reactivos de otro dominio,
haciendo que la cadena de reacciones de una ruta metabólica se ejecute
rápidamente. Los complejos multiprotéicos no son necesariamente estructuras
estables, y por lo general se unen en un estado palpitante o desordenado de
unión y separación rítmicas.
12. Como se estudian las ciencias de la vida
Sin importar las muchas técnicas,
herramientas y métodos usados en la investigación, todas las investigaciones
científicas se basan en la observación y experimentación. En ambos, los
científicos son guiados por el método científico, una de las herramientas más
poderosas de la ciencia moderna. Los biólogos, los historiadores naturales y
los filósofos siempre han observado el mundo alrededor de ellos, pero en la
actualidad nuestra habilidad para observar ha sido expandida de manera enorme
mediante tecnologías y herramientas. Comenzando por el renacimiento con el
microscopio, herramienta que les permitió a los biólogos ver lo que no podía
verse de otra manera.
Figura 12.1. Dibujo natural. Antes de las cámaras, una rama auxiliar imprescindible de la historia natural era el dibujo natural, una rama interdisciplinar entre arte y ciencia que buscaba representar la mayor cantidad de detalles posibles de los seres vivos. En la actualidad el dibujo natural sigue siendo una herramienta importante en la paleontología.
Figura 12.2.
Exploradores y aventureros. Los
historiadores naturales arriesgaron sus vidas en viajes inciertos alrededor del
mundo, muchos murieron, otros lograron vivir para obtener la gloria y la fama
eternas.
12.1.
La contemplación de la naturaleza
No cabe duda qué si uno comienza a
estudiar biología es porque antes se ha quedado embobado viendo a algún gato
haciendo sus cosas, o maravillado ante la lealtad de un perro, enternecido al
ver dormir a un hámster o enamorado ante la belleza de una flor. Todo
estudiante de biología debe haber contemplado la naturaleza. La misma biología
vio su origen como una ciencia descriptiva a la cual denominamos como la
historia natural.
La Historia Natural comienza con
Aristóteles y otros filósofos antiguos que analizaron la diversidad del mundo
natural. La historia natural, como disciplina, ha existido desde tiempos
clásicos, y los europeos del siglo XV estuvieron muy familiarizados con la obra
de Plinio el Viejo Naturalis Historia (Elórtegui Francioli, 2015). Desde los antiguos griegos hasta el trabajo de Carlos Linneo y
otros naturalistas del siglo XVIII, el concepto principal de historia natural
fue la Scala naturae, un arreglo
conceptual de minerales, vegetales, animales primitivos, y otras formas de vida
más complejas en una escala lineal de creciente "perfección", culminando
en nuestra especie (Bermúdez, 2015).
Mientras que la historia natural
prevaleció estática en la Edad Media, continuó desarrollándose por estudiosos
árabes. Al-Jahith describió ideas tempranas de la historia natural como lo es
la "lucha por la existencia" (frase de Thomas Malthus), y la idea de
una cadena alimenticia (Garvey & Whiles, 2016). Abū Ḥanīfa Dīnawarī es considerado el fundador de la botánica
árabe por su Libro de las Plantas, en el que describió al menos 637 plantas y
discutió la morfología vegetal desde la germinación hasta la muerte,
describiendo las fases del crecimiento de las plantas y la producción de flores
y frutas (Bahadur & Krishnamurthy, 2015).
En el siglo XIII, el trabajo de Aristóteles fue rígidamente adaptado a la filosofía cristiana, particularmente por Tomás de Aquino, formando las bases de la teología natural (Glick, Livesey, & Wallis, 2014; Harrison, 2016). Durante el Renacimiento, estudiosos (humanistas y herbolarios principalmente) regresaron a la observación directa de plantas y animales para la historia natural, y muchos comenzaron a acumular grandes colecciones de especímenes exóticos y de monstruos inusuales. Pronto los imperios coloniales se dieron cuenta que muchos de estos especímenes exóticos podían tener beneficios macroeconómicos, por lo que financiaron las aventuras de exploración (Baber, 2016; Merson, 2000; Wendt, 2016) y desarrollaron cuatro instituciones nuevas para recuperar lo recolectado: el museo de historia natural (Browne, 1992; Hoage & Deiss, 1996), el jardín botánico (Forbes, 2008), el zoológico (Baratay & Hardouin-Fugier, 2003) y el acuario.
Figura 12.3. El museo de historia natural. Los museos de
historia natural, así como los jardines botánicos, zoológicos y acuarios fueron
mecanismos para exponer el poder imperial a los ciudadanos propios y
extranjeros.
En la Europa moderna, disciplinas
profesionales como la fisiología, botánica, zoología, geología y paleontología
fueron fundadas bajo el término sombrilla de Historia Natural, la cual antes
era la única materia dada por los profesores de ciencia en las escuelas. Fue
repudiada por científicos, especialmente los físicos de una manera más
especializada y relegada a actividad de "principiantes", lejos de ser
una actividad propiamente científica (Cahoone, 2013). La causa era más bien simple, la historia natural y sus ramas
eran descriptivas y no predictivas, carácter que había adquirido la ciencia una
vez que la física newtoniana demostró ser exitosa. Era necesario el desarrollo
de una teoría matemática general que predijera situaciones concretas para que
una ciencia se pareciera a la física y por ende fuera prestigiosa. A pesar de
eso, la historia natural era prestigiosa entre nobles y ricos como una
actividad de caballeros bien educados, en la Escocia Victoriana, se creía que
el estudio de la historia natural a tener un buen estado mental (Finnegan, 2008). Particularmente en Gran Bretaña y en Estados Unidos, la historia
natural se convirtió en "hobbies" de especialistas, como lo son el
estudio de los pájaros, mariposas, conchas marinas, conquiliología, abejas y
flores; mientras tanto, científicos intentaban definir un concepto unificado de
biología.
Aun así, la tradición de la historia
natural sigue formando parte importante del estudio de la biología,
especialmente ecología (estudio de los sistemas naturales implicando organismos
vivos y los componentes inorgánicos de la biósfera terrestre que los sostienen),
etología (el estudio científico del comportamiento animal) y biología evolutiva
comparada. Y sigue siendo un hobbie para los que tienen el tiempo, el dinero y
la vocación, aunque en la actualidad con la disminución de la biodiversidad es
muy común que muchos sean a su vez defensores de la naturaleza y los
denominamos ecologistas (Milton, 2003; Neves-Graça, 2006;
RILEY & ANGELA, 1992).
12.2.
Experimentación controlada y
el análisis matemático
La ciencia natural newtoniana se resume
en: crear una teoría, convertirla en un modelo matemático y generar
experimentos que contrastan la realidad con las predicciones matemáticas, y
dicho contraste vuelve a ser matemático. El experimento no se piensa como algo
que emerja de manera espontánea, es, por el contrario, una situación altamente
razonada, en la que muchas veces se necesitan muchos preparativos. Aunque
existieron experimentos biológicos antes, los realizados por Mendel y vueltos a
realizar por los biólogos en la primera década del siglo XX son los que por fin
hacen de la biología una ciencia natural de estilo newtoniano (Trapezov, 2016).
Figura 12.4.
Instrumentos de medición y observación. En ciencias
naturales es raro hacer observaciones directas de un fenómeno, la mayoría de
las veces se emplean inferencias a través de fenómenos vistos a través de
instrumentos.
En la actualidad todas las ramas de la
biología intentan matematizarse más y más, pero sin duda en las que resulta más
útil emplear modelos matemáticos son en la genética, la ecología y en la fusión
de las dos anteriores denominada la dinámica de poblaciones. De hecho, la
teoría de la evolución moderna se encuentra formalizada en térmicos de
ecuaciones matemáticas que involucran los fenómenos ecológicos y los fenómenos
genéticos (Cravens, 1987; Valentinuzzi &
Kohen, 2013; van Hemmen, 2007).
12.3.
La mecanización de la
observación científica
Actualmente el avance tecnológico en las
áreas de la física aplicada ha entregado a la biología herramientas aún más
potentes para sus propias investigaciones como los microscopios electrónicos,
los chips de ADN, la imagen de resonancia magnética, o los satélites de
posicionamiento global GPS. Estas tecnologías han mejorado nuestra capacidad
para observar a todos los niveles, desde la distribución de las moléculas en
nuestro cuerpo a la distribución de los peces en los océanos.
Figura 12.5.
Automatización de la observación. Las
supercomputadoras modernas permiten realizar rápidamente procesos que hechos de
otro modo serian lentos, costosos, muy aburridos y poco satisfactorios.
Por ejemplo, no hace mucho los biólogos
marinos se encontraban confinados a marcar a un pez y liberarlo, con la
esperanza de que un pescador lo capturase y de esta forma determinar que tanto
se desplazaba el animal. Actualmente, se puede colocar aparatos de
posicionamiento electrónico que no solo indican la posición del pez en el mapa,
sino también la profundidad, la temperatura y la salinidad del agua en la que
nada. Estos aparatos descargan la información en un satélite, la cual es
reenviada a los investigadores. De esta manera, en unos cuantos años se ha
recibido una enorme cantidad de información nueva a cerca de la distribución de
los peces en los océanos, la cual es de vital importancia para determinar los
efectos del calentamiento global.
A fines de la década de los 90s e inicio
del nuevo milenio se dio una revolución fundamental en el modo en que
observábamos a la biología. Hasta ese entonces la genética y la biología
molecular eran ciencias artesanales, en las que el estudio de un solo gen podía
llevar años de laboriosa intensidad y trabajo duro. Sin embargo, con el
desarrollo del proyecto genoma humano se dio un salto fundamental, y fue la
sistematización de toda la operación, si la biología molecular era una
operación artesanal, los proyectos genoma humano llevaron a esta ciencia a un
nivel industrial. Las tecnologías computarizadas y de automatización nos
permiten cuantificar las observaciones, y este es un aspecto muy importante en
cualquier ciencia. Antes de eso, la biología era considerada la menos
“científica” de las ciencias naturales, dado que se basaba mucho en la
observación de características, pero era muy difícil encontrar un modo de
cuantificarla de manera absoluta. En otras palabras, la revolución tecnológica
hizo que la biología abandonara su noción cualitativa para convertirse en una
ciencia cuantitativa como la química y la física. Y esta cuantificación es
importante, ya que permite medidas objetivas de diferentes fenómenos, como la
distancia evolutiva entre diferentes grupos de seres vivos, no por sus
características fenotípicas, si no por su genoma. Lo anterior fortalece las
conclusiones de los biólogos sobre diferentes aspectos, como la identificación
y la clasificación.
13. La unidad de la vida
Los estudios evolutivos han conllevado a descubrir una propiedad nueva de los seres vivos, su unidad. La relación entre todos los seres vivos del planeta, es una relación de parentesco; todos los seres vivos del planeta comparten un ancestro común, aun cuando a ese ancestro común le hubieran aportado elementos otras hipotéticas líneas de seres vivos que están extintas. ¿Qué significa la expresión anterior? Dos cosas, por un lado, los seres vivos comparten elementos de su maquinaria molecular que es muy poco probable que surgieran dos veces en la historia, pero también está el hecho de que los seres vivos, especialmente los más antiguos tienden a realizar una trasferencia de información genética de manera horizontal. Básicamente poseemos evidencias de ambos fenómenos.
Figura 13.1.
El árbol de la vida. Desde la época de Darwin el
árbol de ramificación o dendrograma ha sido, y aun es, la metáfora más
importante al interior de la biología.
En la actualidad se considera que el árbol de la vida emerge desde la
población del último ancestro común universal o LUCA u se divide en tres
linajes, bacterias, arcaicas y eucariotas.
Por muchos años, los biólogos han investigado la historia de la vida en la Tierra mediante el estudio del registro fósil “constituido por los restos preservados de los seres vivos o de sus huellas los cuales vivieron en un pasado distante”. Los geólogos proveen la información acerca de la edad de los fósiles y de la naturaleza de los ambientes en los cuales estos seres vivos antiguos desarrollaban sus existencias.
Figura 13.2.
LUCA. En la actualidad se piensa que la población de
LUCA no puede entenderse con la metáfora del árbol, sino más bien con la de una
red en la que muchos linajes transferían horizontalmente su ADN unos con otros.
Por muchos años, los biólogos han
investigado la historia de la vida en la Tierra mediante el estudio del
registro fósil “constituido por los restos preservados de los seres vivos o de
sus huellas los cuales vivieron en un pasado distante”. Los geólogos proveen la
información acerca de la edad de los fósiles y de la naturaleza de los
ambientes en los cuales estos seres vivos antiguos desarrollaban sus
existencias.
Los biólogos a continuación infieren las
relaciones evolutivas entre los organismos fósiles y los organismos vivos
mediante la comparación de sus similitudes anatómicas y sus diferencias. Con
frecuencia aparecen grandes vacíos en el registro fósil, forzando a los
biólogos a predecir la naturaleza de estos “eslabones perdidos” entre dos
linajes de seres vivos. A medida que el registro fósil se completa, estos
eslabones perdidos hipotéticos se convierten en fósiles transicionales
realmente encontrados. Una segunda línea de evidencias independiente de la
fósil es la evidencia genética. En esta la hipótesis de similitud genética y
relación de parentesco está más que comprobada, ya que es el método por medio
del cual hacemos identificación humana como en las pruebas de paternidad. Los
métodos moleculares de comparación de genomas completos, están permitiendo a
los biólogos establecer relaciones de parentesco de manera mucho más precisa.
Por lo general, entre más grande es la diferencia de un genoma de dos especies,
es más lejana la existencia en el tiempo del último ancestro común de esas dos
especies.
13.1.
LUCA
Los geólogos estiman que la Tierra se formó entre 4.6 y 4.5 mil millones de años antes del presente. Aparentemente este primer planeta no era muy hospitalario para la vida, o simplemente las rocas de esa época no han llegado hasta nuestro tiempo.
Figura 13.3.
El único dibujo de Darwin en su libro, el
Origen de las Especies. A
parte de LUCA, la metáfora del árbol es empleada en toda la biología, como un
modelo que permite organizar y entender el mundo vivo.
Cerca de 3.8 mil millones de vida se pueden encontrar los primeros rastros de vida, agrupaciones de colonias de células que crecen sobre sus ancestros, capa a capa formando estructuras con forma de roca llamadas estromatolitos “existen estromatolitos vivos hoy, y estromatolitos fósiles; y mezcla de ambos, fósil en la base y vivo en la superficie”. Esto implica que el periodo en que apareció la vida tomó cerca de unos 600 millones de años o menos. Considerar el origen de la vida es considerar un problema muy complejo, que debe tomar en cuenta que las condiciones del planeta en sus inicios eran completamente diferentes de las que encontramos actualmente.
Figura 13.4. Árbol de la vida del siglo XIX. No
solo se necesita que el esquema tenga forma de árbol para ser Darwiniano,
además debe carecer de un tronco o ruta privilegiada, cuando sucede de ese modo
hablamos de un dendrograma que no es darwinista.
Así como toda vida posee una maquinaria
celular semejante, toda vida posee una estructura celular semejante. La
característica primordial de toda vida moderna es que se encuentra encerrada,
separada del ambiente externo por una capa hecha por un compuesto químico
llamado fosfolípido. De hecho, la formación de la membrana celular como tal es
algo muy sencillo, ya que los fosfolípidos disueltos en agua se agrupan y
forman bicapas o burbujas ordenadas de manera espontánea “el incremento en el
orden de las moléculas de los fosfolípidos causa un incremento en el desorden
del agua; la cantidad de energía liberada al universo favorece esta reacción”
lo que implica que no se requiere maquinaria celular o energía para ensamblar
una membrana.
El verdadero misterio del encerramiento de
la vida es el de las proteínas insertadas en la membrana, y no es algo menor.
Virtualmente todas las reacciones químicas de importancia metabólica dependen
de proteínas insertadas en una membrana; así mismo, a medida que una célula
posee mayor área de membranas es capaz de realizar más reacciones
químicas. Saber cómo se originó la
conexión entre el material genético, la generación de proteínas y la inserción
de estas en una membrana es uno de los objetivos más importantes en el estudio
del origen de la vida. Dado que toda vida moderna posee esta estructura básica,
es lógico inferir que el último ancestro común también la poseía.
Geológicamente hablando, el ultimo
ancestro común de todos los seres vivos o LUCA “por sus siglas en inglés” debía
ser muy semejante a una serie de seres vivos que denominamos procariotas
“células sin núcleo” y sin membranas internas. Los procariotas son el tipo
celular que componen a los estromatolitos y otros fósiles encontrados entre el
3.8 mil millones de años y el 1.2 mil millones de años.
13.2.
El árbol de la vida
Mucho de la biología está basado en la
comparación entre las especies, y estas comparaciones son útiles precisamente
debido a que podemos colocar a las especies en un contexto evolutivo relativo
uno a otro. Estas relaciones pueden dibujarse un diagrama de relaciones similar
a una cadena de Markov, aunque la metáfora más difundida es la del árbol
genealógico. De esta manera la taxonomía o ciencia encargada de la
clasificación de los seres vivos mediante su comparación básicamente se encarga
de dibujar arboles estilizados que permiten relacionar a unos seres vivos con
otros.
Aunque crudos este es uno de los ejemplos
de los primeros diagramas filogenéticos, dibujado por Darwin en persona en su
cuaderno de notas. Ejemplos de diagramas filogenéticos se cuentan entre las
pocas ilustraciones de El Origen de las Especies. Darwin no fue el proponente
de la hipótesis del ancestro universal común, dado que su árbol no se enraíza
en una única base.
Nuestra habilidad crear árboles de la vida
“formalmente llamados diagramas filogenéticos” ha sido mejorada de manera
significativa durante las últimas décadas mediante las técnicas automatizadas
de secuenciación y comparación genética de genomas completos. Sin embargo,
históricamente no han estado exentos de sesgos cognitivos, un ejemplo es el
sesgo de perfeccionamiento que imponía la idea del Platón que de existían seres
más perfectos y menos perfectos. La metáfora del árbol tal vez se la debemos
más a Erns Haekel que literalmente si dibujo diagramas filogenéticos con forma
de árbol, contrario a la estructura más abstracta propuesta por Darwin, y que
también contrariaban a la teoría darwinista en el hecho de mostrar la
distribución del árbol como si existiera una linealidad que va desde lo menos perfecto
en la base a lo más perfecto en la copa.
La aceptación completa de las ideas
darwinianas no sería realizada sino hasta mediados del siglo XX cuando la
secuenciación genética y otras técnicas moleculares permitieron a los
sistemáticos “escuela de la taxonomía más generalmente aceptada actualmente”
incrementar el conocimiento evolutivo basados tanto en el registro fósil como
en la evidencia molecular, concluyendo finalmente que el árbol de la vida es
una metáfora que debe tomarse con pinzas, y en lugar de un pino lineal, debe
ser visualizado como un matorral esférico sin dirección definida.
El resultado de esto es la compilación de
árboles filogenéticos cada vez más grandes y precisos, lo cuales documentan las
relaciones de parentesco entre los seres que lo componen. A pesar de que
muchísimos detalles aún no han sido clarificados, en líneas generales, el árbol
de la vida ha sido determinado. Sus patrones de ramificación han sido basados
en una rica compilación de evidencia fósil, anatómica, fisiológica, bioquímica,
comportamental, y molecular. Los datos moleculares han permitido separar el
árbol en tres grupos principales “súper reinos o dominios”. Cada dominio ha
evolucionado de manera independiente por eones. Las diferencias y similitudes
entre cada uno de los miembros de estos tres grupos serán estudiadas en detalle
en temas futuros.
Actualmente los diagramas filogenéticos
tienden a expresarse de manera enroscada, sobre todo cuando intentan
representar una mayor cantidad de grupos, ya que esta estructura permite
ahorrar más espacio en la representación. Por otra parte, estos tienden a ser
más esquemáticos como lo que proponía Darwin, y menos artísticos como los que
generó Haekel. Actualmente existe cierto debate sobre la existencia real del
Ultimo Ancestro Común Universal, debido a la tendencia de los procariontes a
realizar intercambio de material genético sin relación de parentesco.
13.3.
Uso predictivo del árbol de la
vida
Existen y han existido muchas más especies
en el planeta, de las que se han catalogado hasta el momento. Cuando
encontramos una nueva especie, su lugar en el árbol de la vida nos dice de
manera instantánea una gran cantidad de cosas a cerca de su biología sin tener
que diseccionarlo o analizarlo de manera directa. Adicionalmente, el
entendimiento de las relaciones entre diferentes grupos les permite a los
biólogos predecir la existencia de especies que aún no han sido estudiadas
basados en la existencia de aquellas especies que han sido estudiadas.
Por ejemplo, antes del establecimiento de las técnicas filogenéticas, podía tomar años de investigación el aislamiento, identificación y determinación de capacidades de patógenos humanos. Actualmente, los patógenos nuevos pueden ser rápidamente estudiados mediante su posicionamiento en el árbol de la vida, lo cual nos dice mucho sobre su comportamiento y mecanismos de infección.
14. ¿Qué es la vida?
Al igual que la química posee propiedades
emergentes que no pueden ser rastreadas a las leyes de la física, la biología
posee sus propias propiedades que no pueden ser rastreadas a la química. Este
se denomina no-superveniencia y es lo que le otorga a cada campo de estudio
científico su propia identidad, siendo imposible que sean reducidos uno a los
otros. Por ejemplo, la variabilidad genética no depende de la reacción de un
compuesto en otro, sino de la organización mismo de varios compuestos
interactuantes, mientras que en una situación química sería clara la estructura
de la sustancia, en la biología podemos tener miles o millones de sustancias parecidas
pero un poquito diferentes. Dado que las propiedades nuevas no encajan con el
campo basal, la biología no puede reducirse a la química.
La propiedad emergente no superveniente
más evidente de un sistema vivo es, bueno ya saben, estar vivo. Sin embargo definir que es la vida es muy
complejo, o imposible si lo que se desea es rastrearla a una sola definición
que sea superveniente a propiedades físico-químicas como el flujo de energía o
la organización entrópica (Margulis & Sagan, 2000;
Schrodinger, 1946; Weber, 2010). Es más fácil definir un ser vivo como aquella entidad que nace,
crece y se reproduce, esta definición, aunque infantil es poderosa, nos dice
que la vida se define no en base a un procesos físico o químico, sino en base a
múltiples procesos biológicos que emergen de propiedades químicas, pero que no
se reducen a ellas. En la actualidad definimos a la vida como la suma de las
propiedades de los seres vivos, que, aunque son un poco más sofisticadas que la
infantil “nacen, crecen y se reproducen”, siguen manteniendo la misma idea
básica.
14.1. La vida es variable
Figura 14.1.
La variación es el motor de la evolución. La
variación de la vida en cada generación permite la aparición de una propiedad
emergente llamada selección natural, que resulta de las interacciones del
individuo con todos los fenómenos ambientales que afectan su éxito
reproductivo.
Los físicos y los químicos investigan las
propiedades e interacciones de los objetos como electrones, fotones y átomos,
que son físicamente uniformes e invariantes en sus características y
comportamiento. Un simple experimento que determina las propiedades de una
entidad simple (ejemplo, electrones o protones) puede ser utilizado para
extrapolar las propiedades de todas las entidades comparables en el
universo. En biología, la ciencia del
mundo viviente, tanto en el pasado como en el presente (Mayr 1997) la situación
es muy diferente. Los organismos biológicos estudiados, son típicamente una
muestra aleatoria de sus poblaciones, manifiestan una asombrosa diversidad como
consecuencia de la recombinación genética y la variación aleatoria. Por lo
tanto, con la excepción de los gemelos idénticos o individuos clonados, no
existen dos individuos de la misma especie que se vean exactamente igual,
incluso los gemelos idénticos pueden ser diferentes físicamente como resultado
de sus historias individuales (Kutschera & Niklas, 2004).
La variabilidad biológica es una ley
general que aplica no solo a las animales, plantas u hongos (y otros seres
sexuales), también a los microorganismos que carecen de la capacidad de la
reproducción sexual. El concepto de “tipo” difiere radicalmente en el contexto
de la biología versus del que posee en la física. Sin embargo, existen límites
en la diversidad biológica y esto literalmente conforma la historia evolutiva.
Ninguna población es capaz de generar todas las variantes genómicas
teóricamente posibles, en parte debido a que la recombinación genética producto
de la reproducción sexual es aleatoria y también a que cualquier población dada
posee un número finito de individuos. Por lo tanto, la variación biológica que
provee el material crudo para el cambio evolutivo está confinada a eventos
aleatorios (Kutschera & Niklas, 2004).
La “lucha por la existencia” entre la
descendencia de cada generación elimina las variantes genómicas que son menos
aptas para su medioambiente particular. Los que logran sobrevivir pasan su
información genética a la siguiente generación. De esta forma, la evolución es
la suma de eventos aleatorios (mutación y recombinación sexual) y selección
natural la cual ampliamente NO es aleatoria. Este proceso fundamental –la ley
de la selección natural (Bell 1997) – fue concebido por dos naturalistas
británicos del siglo XIX, Charles Darwin y Alfred Russel Wallace y ha sido
substancialmente confirmado desde los principios del siglo XX con el
redescubrimiento de la genética Mendeliana y a avances subsiguientes en
genética de poblaciones. Es importante resaltar que, la síntesis moderna
continua hasta el día de hoy con nuevos datos y puntos de vista aportados por
diversos campos de estudio, particularmente la biología molecular, que detalla
los mecanismos precisos por medio de los cuales los genomas (y los fenotipos
que ellos generan) son alterados (Kutschera & Niklas, 2004).
14.2.
La vida es celular
Se establece como fundamento que la unidad
de toda estructura viva a nivel de componente de construcción como de
funcionamiento es la célula. Aunque ahondaremos más en este aspecto cuando estudiemos
la célula.
14.3.
La vida crece y cambia:
El crecimiento biológico tiene que ver con
el incremento en el tamaño de una célula o un organismo, en el incremento del
número de células o ambos. El crecimiento puede ser uniforme, en las diferentes
partes de un organismo, o puede ser más o menos grande en las diferentes
partes, causando que las proporciones del cuerpo se alteren a medida que el
organismo envejece. Algunos seres vivos nunca dejan de crecer, como los
árboles, pero otros seres vivos poseen límites de crecimiento más o menos
variables. Un aspecto interesante es que los diferentes órganos mantienen su
funcionalidad a medida que crecen. Los seres vivos se desarrollan a medida que
crecen. El desarrollo incluye todos los cambios que tienen lugar durante la
vida completa de un ser vivo. Por ejemplo, en los humanos, el desarrollo
comienza con la fecundación de un óvulo y los cambios nunca paran hasta la
vejez.
Figura 14.2.
Crecimiento y desarrollo. El crecimiento
y el desarrollo de un ser vivo pueden involucrar procesos complejos, sin
embargo, estos no deben confundirse con evolución, la evolución es un proceso
asociado con poblaciones, mientras que el desarrollo es un proceso que sufren
individuos.
14.4.
La vida se auto-controla
Al interior de todos los seres vivos, se
dan reacciones químicas y transferencias de energía, las cuales son esenciales
para la nutrición, el crecimiento, la reparación de las células y los tejidos y
por ende de los organismos. Básicamente son proceso de transformación
energética. La suma de todas las reacciones químicas de los organismos se
denomina metabolismo. Los procesos metabólicos ocurren de manera continua en el
interior de todos los seres vivos, y deben ser regulados de manera meticulosa
para mantener el equilibrio dinámico de un ser vivo. A ese equilibrio dinámico
autocontrolado se lo denomina homeostasis.
La homeostasis básicamente trata de
mantener un ambiente interno balanceado, que se encuentra en desequilibrio con
el ambiente externo. El ambiente externo posee pocos nutrientes y energía, que
son ingeridos por el organismo, quien los acumula manteniendo un ambiente
ordenado en el interior de sí mismo. Cuando una sustancia particular es
requerida, los procesos que la producen deben encenderse. Los mecanismos
homeostáticos son mecanismos de autoregulación y autocontrol que posee un ser
vivo para mantenerse… bueno, ¡vivo!
14.5.
La vida responde al ambiente
Todas las formas de vida responden a los
estímulos cambios químicos del ambiente externo. De hecho, esta propiedad no es
más que una consecuencia de la homeostasis, si el ambiente externo cambia, el
organismo debe responder para que su ambiente interno se mantenga igual. Esta
propiedad tal vez sea una de las características más antiguas asociadas a la
vida, no más piense en un niño que encuentra a un animal muerto y lo pica con
una varita. Si se mueve está vivo y so no está muerto. Más allá de la inocencia
de este acto está el hecho profundo de que todo ser vivo debe responder a
estímulos externos de una manera u otra “a menos que estemos tratando con
estructuras de resistencia como una semilla, la cual ha evolucionado
precisamente para ser inmune a los estímulos externos en mayor o menor medida.
Figura 14.3.
La vida reacciona al ambiente. El dolor es el
mecanismo que posee el cuerpo para indicar que el cuerpo está siendo lastimado
y que debe ejecutarse una pronta respuesta.
Los estímulos pueden variar mucho, como
por ejemplo cambios en el color, intensidad y dirección de la luz, cambios en
la temperatura, presión o el sonido; o cambios en la composición química del
ambiente, ya sea suelo, aire o agua. Aunque la respuesta al estímulo
generalmente es algún movimiento, no siempre se trata de locomoción. En los
seres vivos más simples, la totalidad del organismo es sensible al estímulo.
Ciertos organismos unicelulares responden al estímulo de la luz, acercándose a
ella o alejándose, a esto se lo denominan fototaxis. Otros seres responden a la
presión, como algunas plantas depredadoras.
14.6.
La vida se multiplica
Antes del establecimiento de la teoría
celular, las personas pensaban que las orugas se originaban de manera
espontánea de la carne en descomposición, o que las ranas se originaban del
lodo de ciertos ríos como el Nilo. Sin embargo, gracias al trabajo de varios
científicos entre los cuales los más destacables sean Fracisco Redi y Luis
Pasteur, pudo establecerse la teoría celular, la cual en uno de sus postulados
más básicos establece que las células se originan de otras células. Del mismo
modo, cualquier ser vivo se origina de otro ser vivo, haciendo de la vida un
proceso continuo e ininterrumpido. Los organismos simples unicelulares como las
bacterias, se perpetúan a sí mismos mediante la mitosis, un tipo de
reproducción asexual. Cuando una bacteria ha crecido lo suficiente, se
reproduce mediante la división de la célula individual en dos células hijas.
Antes de que la célula se separe, el
material genético de la ameba madre se duplica, de modo tal que cada célula
hija hereda una cadena genética original y una copia. Excepto por el tamaño,
cada bacteria hija es exactamente igual a la bacteria madre, la mayoría de las
veces. En ocasiones pueden ocurrir variaciones introducidas por la mutación, la
transferencia horizontal de genes u otros factores epigenéticos.
Otros seres vivos, como algunos eucariontes unicelulares, los hongos, las plantas y los animales poseen otro mecanismo de reproducción denominado reproducción sexual, el cual genera un ciclo de vida complejo. El resultado de la reproducción sexual es el de una mezcla y recombinación de factores genéticos, lo cual incrementa la diversidad de los descendientes sin exponerse a la mutación. La variación es un fenómeno fundamental en la supervivencia de las especies, pues las poblaciones que no varían se extinguen rápidamente por la acción conjunta de depredadores y enfermedades.
Figura 14.4.
Reproducción. El fin último de la vida es reproducirse,
y los seres vivos gastan una considerable cantidad de energía en hacerlo,
incluso pueden sacrificar su propia existencia en favor de la de sus crías.
14.7.
La vida evoluciona
La evolución es la capacidad de una
población para cambiar a lo largo del tiempo. Estos cambios pueden darse a
cualquier nivel de organización, siendo moleculares, celulares, tisulares,
orgánicos, sistémicos, de especie, de comunidad y de ecosistema. Sin embargo,
solo nos interesan en este apartado los cambios que son causados por el
material genético y en consecuencias son heredables a través de la relación
ancestro-descendiente de la reproducción. Dado que la evolución involucra el
cambio de una población variable a través de mecanismos que incrementan la
variabilidad de una generación a otra y a mecanismos que seleccionan dicha
variabilidad, la evolución representa la suma de las propiedades y funciones de
los seres vivos, siendo la piedra angular de la biología moderna, y es
estudiada mediante la Teoría Sintética de la Evolución más sus conceptos
expandidos.
Los métodos moleculares de comparación de
genomas completos, están permitiendo a los biólogos establecer relaciones de
parentesco de manera mucho más precisa. Por lo general, entre más grande es la
diferencia de un genoma de dos especies, es más lejana la existencia en el
tiempo del último ancestro común de esas dos especies.
15. Funciones de los seres vivos
Las funciones de los seres vivos son
acciones concretas que estos realizan para mantenerse vivos o reproducirse.
Estas poseen muchas clasificaciones, pero en términos generales son tres, dos
relacionadas con la superviviencia y la otra que es la de reproducción.
15.1.
Función de nutrición
La nutrición hace referencia a todas las
actividades que hace el individuo para obtener los materiales necesarios para
mantenerse vivo y al mismo tiempo mantener los desechos fuera. Los seres vivos
tienen la capacidad de intercambiar con el medio que les rodea materia y
energía. Toman del medio las sustancias nutritivas y la energía que necesitan
para vivir y expulsan al medio las sustancias de desecho que fabrican. La
función de nutrición es fundamental para la supervivencia de los seres vivos,
ya que les permite crecer, desarrollarse, renovar los tejidos dañados o
deteriorados y disponer de la energía necesaria para el funcionamiento del
organismo.
La nutrición como un todo debe obtener
energía de algún lado y por ende se la clasifica de acuerdo con dicha fuente de
energía. Hay dos tipos de nutrición: la autótrofa y la heterótrofa. Los seres
vivos autótrofos, son aquellos capaces de fabricar la materia orgánica que
constituye su alimento, a partir de sustancias inorgánicas sencillas (H2O,
CO2 y sales minerales) y utilizando una fuente de energía. El
proceso autótrofo más común en los seres vivos es la fotosíntesis, que utiliza
como fuente de energía la luminosa procedente del Sol y que es captada por un
pigmento denominado clorofila. Los seres vivos heterótrofos, son aquellos que
no pueden fabricar la materia orgánica que constituye su alimento y tienen que
tomarla del medio: comiéndose a otros seres vivos, sus productos o sus restos.
La función de nutrición incluye las
siguientes subfunciones:
👉 Digestión: Es el proceso de degradación de compuestos externos para
convertirlos en materia prima, involucra la ingestión de dichos materiales en forma
degradada o completa, y su posterior degradación para sumarlos a los fluidos
vitales. Por lo general requiere de procesos químicos conocidos como reacciones
de oxidación orgánica en la cual moléculas grandes se convierten en moléculas
más pequeñas, y su integración al metabolismo.
👉 Metabolización: Es un proceso molecular e invisible, pero es el que mantiene al
ser vivo en homeostasis viviente. Son reacciones de destrucción y
reconstrucción que absorben o liberan energía.
👉 Excreción: Las reacciones del metabolismo generan sustancias de desecho. Su
acumulación en el citosol genera la reversión o parálisis de otras reacciones
metabólicas lo cual hace que el metabolismo como un todo se detenga y mate a la
célula. Por ello la función de excreción es primordial, y se basa en el hecho
de expulsar o aislar los desechos metabólicos, aunque lo segundo es lo menos
común.
👉 Circulación: Las sustancias obtenidas por la digestión fluyen a través de los
medios internos, ya sean sangre, hemolinfa o matriz extracelular de un lugar a
otro. Este flujo de sustancias es mediado precisamente por los fluidos del
medio interno.
15.2.
Función de relación
La interacción biológica es la relación
entre los organismos en un ecosistema. En un ecosistema no existen organismos
viviendo totalmente aislados de su entorno. AL igual que en la nutrición puede
ser dividida en otras más concretas.
👉 Control: Es la capacidad que tiene el individuo de auto-organizarse, en
los animales y plantas es llevado a cabo por el sistema endocrino mediante
mensajeros químicos que fluyen por los medios de transporte circulatorio como
la sangre, la hemolinfa y la matriz extracelular. La pérdida del control
conlleva a severas dolencias, dentro de las cuales la más común es el cáncer.
👉 Análisis: Una vez que el cuerpo está bajo control y es obediente para
responder, debe estar listo para recuperar información del medio y responder a
él. Para esto se necesita un sistema de análisis de la información que permite
responder a los estímulos externos. Existen muchos sistemas de análisis, el
propio ADN es un sistema de análisis que responde de acuerdo a la transferencia
de la información ambiental por medio de la transducción enzimática en el
citosol, sin embargo, existen otros sistemas más sofisticados, como el sistema
nervioso y el propio sistema endocrino.
👉 Movimiento: Una vez que tu cuerpo es obediente y que sabes lo que está
sucediendo, debes responder al medio mediante cambios que ejerces en él. Las
células pueden moverse para liberar sustancias, desplazar partes, cambiar de
forma o simplemente desplazar al individuo de un punto A a un punto B. Los
sistemas: nervioso, esquelético y muscular se encargan de esto en los animales.
👉 Interacción: Las adaptaciones de los seres vivos son formas sofisticadas de
interacción con el medio ambiente, y al ser tan concretas se escapan de la
naturaleza general de este escrito. Pero basta decir que como ejemplos podemos
citar al mimetismo batesiano, las armas defensivas como las conchas, las armas
ofensivas como los cuernos y púas, las armas químicas como los venenos etc.
15.3.
Función de reproducción
A nivel celular la reproducción involucra
dos procesos, la regeneración celular de tejidos dañados o en crecimiento y la
multiplicación del individuo para generar más individuos.
👉 Regeneración y
crecimiento: Se da
mediante reproducción asexual de las células del individuo, no intervienen
células especializadas por lo que cualquier parte del cuerpo podría ser
reparada y no hay intercambio genético. Esto permite el aumento de células ya
sea para reemplazar las que se perdieron por un daño o para aumentar la masa
del individuo a medida que va creciendo.
👉 Multiplicación: La multiplicación podría ser llamada como la reproducción en sí,
y es generar nuevos individuos, Esto se puede dar por reproducción asexual en
la cual los descendientes son todos iguales o mediante reproducción sexual. La
reproducción sexual se produce cuando intervienen células especializadas
(gametos) de diferente sexo y ocurre una mezcla de la información genética
contenida en ellas.
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