TEMA 1: SERES VIVOS Y MATERIA PRIMA

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1 1. Características de los seres vivos TEMA 1: SERES VIVOS Y MATERIA PRIMA La Biología se define como la ciencia que estudia a los seres vivos. Los seres vivos están formados por moléculas que individualmente se rigen por las leyes de la física y la química, sin embargo los seres vivos presentan unas características que los diferencian de los inertes que son la capacidad de realizar las tres funciones vitales: Nutrición: Es la capacidad para extraer materia y energía del exterior que serán utilizadas para crecer, desarrollarse y realizar sus restantes funciones vitales. Esta función requiere un proceso llamado metabolismo y que consta de dos etapas: a) Anabolismo o construcción: Es la incorporación de sustancias para formar sus propias moléculas. b) Catabolismo o destrucción: Es la destrucción en parte de los productos obtenidos en la fase anterior para utilizar la energía liberada. Se pueden considerar dos tipos de nutrición: a) Nutrición autótrofa: Incorporación de sustancias inorgánicas que se transforman en sustancias orgánicas. Si la fuente de energía es la luz, entonces se llama fotosíntesis, y si procede de ciertas reacciones químicas se llama quimiosíntesis. b) Nutrición heterótrofa: Incorporación de sustancias orgánicas que contienen energía en sus enlaces químicos. Relación: Es la capacidad de recibir estímulos externos y reaccionar a ellos. Los organismos pluricelulares también reciben estímulos del interior de su organismo y los sistemas nervioso y endocrino se encargan de la homeostasis o capacidad de mantener constante el medio interno. Reproducción: Es la capacidad de generar nuevos seres similares a sus progenitores para asegurar la continuidad de la especie. Hay dos tipos de reproducción: a) Asexual: Por la que un individuo desprende una parte de su cuerpo, de la que se origina un nuevo ser idéntico al primero. Se realiza a partir de células somáticas. b) Sexual: Por la que dos individuos forman células especiales llamadas gametos que se unen para dar lugar a un cigoto el cual se desarrolla hasta constituir un nuevo individuo. La vida se considera el conjunto de estas tres cualidades, que se observan claramente en la mayoría de los seres vivos. Sin embargo los virus no poseen metabolismo y tampoco se relacionan, sólo se reproducen y para ello precisan a otro ser vivo. Se dice que están en la frontera de la vida ya que tienen características de los seres vivos (poseen información genética necesaria para obtener copias de sí mismos) y de los seres inertes (son capaces de cristalizar fuera de un ser vivo). 2. Niveles de organización de los seres vivos Los seres vivos presentan estructuras complejas llamadas niveles de organización de manera que cada nivel está formado por componentes del nivel inferior, pero la nueva organización de un nivel da como resultado propiedades nuevas, muy diferentes a las del nivel precedente. Los niveles de organización se resumen en el siguiente cuadro: 1

2 NIVELES DE ORGANIZACIÓN N. subatómico Partículas subatómicas que forman parte de los átomos Protones, neutrones, electrones, N. atómico Átomos, que son la parte más pequeña de un elemento químico que puede intervenir en una reacción Bioelementos: C, H, O, N, P, S,. Niveles abióticos (sin vida) N. molecular Moléculas, que son uniones de dos o más átomos mediante enlaces químicos. Macromoléculas, que resultan de la unión de dos o más moléculas. Si se forma por la repetición de una molécula se dice que es un polímero y la unidad que se repite se llama monómero Complejos supramoleculares, que resultan de la unión de varias macromoléculas Biomoléculas: agua, sales, glucosa, aminoácidos, Almidón, celulosa, fosfolípidos, proteínas Virus: formados por proteínas y ácidos nucleicos Ribosomas Cromosomas Orgánulos celulares, que resultan de la unión de complejos supramoleculares mitocondrias, cloroplastos N. celular Células Organismos unicelulares Tejidos: conjunto de células parecidas que tienen el mismo origen y realizan la misma función. Epitelial, muscular, Niveles bióticos (con vida) N. pluricelular N. de poblaciones Órganos: agrupaciones de diferentes tejidos que realizan una función específica Sistemas: Conjunto de órganos parecidos que están formados por los mismos tejidos y con diferentes funciones. Aparatos: conjunto de órganos diferentes que se coordinan para realizar una función concreta Población: organismos de la misma especie que viven en un área determinada y en un momento dado. Ecosistema: Conjunto de poblaciones que viven en un área determinada formando una biocenosis y las condiciones fisicoquímicas de la zona que constituyen el biotopo, junto a las relaciones que se establecen entre ambos. Corazón, hígado, Muscular, nervioso, endocrino y óseo Digestivo, circulatorio, Robles, lobos, Mar, bosque, charca 2

3 3. Bioelementos Son aquellos elementos químicos que constituyen la materia viva. Se han identificado unos 70 aunque no todos están presentes en todos los seres vivos ni aparecen en las mismas proporciones. Se clasifican en dos grupos: 3.1. Bioelementos primarios Constituyen el 96% de la materia viva y se encuentran en todos los seres vivos. Son el C, H, O, N, P y S. Su importancia se debe a que establecen entre ellos y con otros átomos enlaces covalentes muy estables. El carbono puede establecer cuatro enlaces covalentes al unirse a otros elementos y formar cadenas lineales ramificadas y con formaciones tridimensionales Bioelementos secundarios Constituyen aproximadamente el 4% de la materia viva y a su vez se clasifican en: a) Indispensables: Los presentan todos los seres vivos: Ca, Na, K, Mg, Cl, Fe, Si, Cu, Mn, B, F y I. El Ca, K y Cl mantienen el equilibrio osmótico y son fundamentales en la transmisión nerviosa. b) Variables: Los presentan unos seres vivos y otros no. Son el resto: Co, Zn, Br, Cuando un bioelemento secundario se encuentra en los seres vivos en proporción inferior al 0.1% se dice que es un oligoelemento. En general son todos menos: Ca, Na, K, Mg, Cl y Si. Aunque se precisan en pequeñas cantidades, los oligoelementos son indispensables para el buen funcionamiento de los seres vivos y su falta provoca enfermedades. Por ejemplo: El Fe es necesario para la formación de hemoglobina. El Mn interviene en procesos fotosintéticos (fotolisis del agua). El Cu es necesario para la formación de hemocianina (pigmento respiratorio azul de algunos invertebrados). 4. Biomoléculas Son las moléculas que forman parte de los seres vivos. También se llaman principios inmediatos y se forman por la unión de los bioelementos primarios. Se clasifican en: Biomoléculas inorgánicas Agua (H 2 O) Sales minerales ( NaCl, CaCO 3, ) Gases: O 2, CO 2, N 2 Biomoléculas orgánicas Glúcidos: Formados por C, H y O Lípidos: Constituidos por C y H y un pequeño porcentaje de O Proteínas: Formadas por C, H, O, N y S Ácidos nucleicos: Constituidos por C, H, O, N y P 4.1. El agua La vida, tal como se conoce en la Tierra, se desarrolla siempre en medio acuoso. Incluso en les seres no acuáticos el medio interno es esencialmente hídrico. La inmensa mayoría de las reacciones 3

4 químicas se desarrolla en el seno del agua y obedece a las leyes físico-químicas de las disoluciones acuosas. El agua es la molécula más abundante en los seres vivos y representa entre el 70% y el 90% del peso de la mayor parte de los organismos. El contenido de agua varía de una especie a otra y también en función de la edad y del tejido. En el hombre supone el 63 % de su peso. El agua se encuentra de tres formas: a) Agua circulante libre: Se encuentra en la sangre y la savia. b) Agua intersticial (de imbibición): Forma parte de los tejidos y rellena los huecos existentes entre las células. c) Agua intracelular (combinada): Se encuentra en el hialoplasma y en el interior de los orgánulos celulares. No es extraíble por desecación y sólo aparece como producto en algunas reacciones del metabolismo Estructura del agua El agua a temperatura ambiente es líquida, al contrario de lo que cabría esperar comparándola con otras moléculas de parecido peso molecular (SO 2, CO 2, NO 2 ) que son gases. Esto se debe a que en la molécula de H 2 O, los 2 electrones de los dos H están desplazados hacia el átomo de O, por lo que en la molécula de agua aparece un polo negativo y un polo positivo donde predominan las cargas positivas de los dos núcleos de H. Las moléculas de agua son pues dipolos. Fig. (a) Estructura de la molécula de agua. (b) Las moléculas de agua en disolución interactúan entre si a través de los puentes de hidrógeno. La importancia del dipolo se debe a que se establecen puentes de Hidrógeno entre 3, 4 y hasta 9 moléculas de agua, con lo que aumenta su peso molecular lo que hace que a temperatura ambiente sea líquida. El puente de H es un enlace débil, no covalente Propiedades y funciones del agua PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS Elevada constante dieléctrica: Por ser un dipolo hace que sea un buen disolvente para gran cantidad de sustancias. FUNCIONES BIOLÓGICAS Disolvente universal: es el medio donde se realizan la mayoría de las reacciones metabólicas dando disoluciones moleculares o iónicas. Bioquímica: Inteviene en gran cantidad de reacciones químicas. Transportadora: Transporta sustancias desde el exterior al interior del organismo y viceversa por medio de la sangre y la savia. 4

5 Elevado calor específico: Se necesita mucho calor para elevar su temperatura ya que parte de la energía se utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Elevado calor de vaporización: El agua absorbe mucho más calor al evaporarse que cualquier otro líquido ya que para cambiar a estado gaseoso han de romperse todos los puentes de H Elevada tensión superficial y gran fuerza de cohesión: Es la resistencia que opone su superficie a romperse. Se debe a la gran cohesión que existe entre sus moléculas debido a los puentes de H. Menor densidad en estado sólido que líquido, por lo que el hielo flota en el agua. Termorreguladora: Almacena mucha cantidad de energía lo que permite que no haya cambios bruscos de temperatura. Es un buen estabilizador térmico. Frena la elevación de la temperatura mediante la evaporación superficial de agua en pulmones, piel, sudor Estructural: Da forma y volumen a las células que carecen de pared. Permite la turgencia de las plantas. Mecánico-amortiguadora: Las bolsas de líquido sinovial de las articulaciones evitan el roce entre los huesos. Transportadora: Favorece la ascensión de la savia bruta por los vasos leñosos. Capilaridad. Permite la vida acuática en zonas frías Sales minerales Cuando se quema la materia orgánica, después de eliminar el agua, se obtiene un residuo formado por las sales minerales. Estas se encuentran en los seres vivos de tres formas: a) Precipitadas: Forman estructuras sólidas con función esquelética. Las principales son: CaCO 3 (carbonato cálcico) que forma huesos y conchas de moluscos. Ca 3 (PO 4 ) 2 (fosfato cálcico) que forma parte de los huesos. SiO 2 (sílice) que forma el esqueleto de las diatomeas. b) Disueltas: Se disuelven en agua formando cationes y aniones. Las principales son: Cationes: Na +, K +, Ca +2, Mg +2 Aniones: Cl -, SO 4-2, CO 3-2, CO 3 H -, NO 3 -, PO 4-3 c) Asociadas: Se encuentran unidas a moléculas orgánicas, formando por ejemplo fosfolípidos o fosfoproteinas. El Fe en la hemoglobina, Funciones de las sales minerales a) Forman estructuras esqueléticas. b) Mantienen la concentración salina del medio mediante ósmosis. c) Tienen funciones específicas: Fe para la formación de hemoglobina, d) Regulan el equilibrio ácido-base. 5. Estados físicos de la materia de los seres vivos Los componentes de los seres vivos se encuentran en tres estados: a) Estado sólido: Así se presentan sustancias que forman el esqueleto y las de protección. Pueden ser: Inorgánicas, como el carbonato y fosfato cálcicos que impregnan al colágeno para formar los huesos. Orgánicas, como el colágeno que forma los huesos o la celulosa que forma las paredes celulares de las células vegetales. 5

6 b) Estado líquido: Está formado por dispersiones en las que la fase dispersante (disolvente) es el agua y la fase dispersa (soluto) son diversas moléculas. Según el peso molecular de esas moléculas, las dispersiones se clasifican en: Dispersiones coloidales: Las partículas de soluto tienen entre 1 y 200 milimicras. Son transparentes pero al trasluz aparecen turbias. Son viscosas. Según el estado del coloide pueden ser: Sol: si el coloide es líquido. Gel si el coloide es semisólido. El paso de sol a gel siempre es posible pero a la inversa no siempre. Propiedades de los coloides: Adsorción: Proceso por el cual las partículas de una sustancia son atraídas hacia la superficie de un sólido o de una partícula coloidal en suspensión. Diálisis: Proceso que permite separar partículas coloidales de las no coloidales por medio de una membrana semipermeable. Son semipermeables las membranas animales y el celofán. Dispersiones moleculares (verdaderas): El soluto es de bajo peso molecular. Son totalmente transparentes. No sedimentan por ultracentrifugación y sus partículas no son adsorventes. Propiedades de las dispersiones verdaderas Difusión: Proceso mediante el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. se forma una mezcla homogénea entre dos fluidos y se debe al continuo movimiento en el que se encuentran las partículas de ambos. Es decir, el soluto pasa de una disolución concentrada a otra más diluida. Ósmosis: Es el paso de disolvente a través de una membrana semipermeable que no deje pasar solutos desde una disolución diluida a una concentrada hasta igualar concentraciones. La presión osmótica es aquella que ejercen los solutos sobre dicha membrana y será mayor cuanto mayor sea la diferencia de concentración sin que importe la naturaleza del soluto. La membrana plasmática es semipermeable y según el medio en el que se encuentren las células pueden ocurrir tres casos: 1) Si el medio externo es isotónico respecto al medio interno celular, (tiene la misma concentración), la célula no se deforma. 2) Si el medio externo es hipotónico (menos concentrado), la célula se hinchará porque entra agua del exterior y puede llegar a romper produciendo la lisis celular. En células vegetales la membrana se pega a la pared sin llegar a romper. Este fenómeno se llama turgencia o turgescencia. 6

7 3) Si el medio externo es hipertónico (más concentrado), la célula perderá agua y se arrugará. En las células vegetales este fenómeno se llama plasmolisis y la membrana se desprende de la pared y se arruga, pero la forma de la célula se mantiene gracias a la pared celular. c) Estado gaseoso: Los gases que forman parte de los seres vivos son: O 2 que actúe en procesos metabólicos oxidando. CO 2 que se desprende como resultado de las reacciones metabólicas anteriores. N 2 que no interviene en el metabolismo aunque es indispensable en algunos seres vivos, como la flotación del Nautilus. 6. Equilibrio ácido-base Ácido es una sustancia capaz de ceder protones [H + ]. Base es una sustancia capaz de captar protones. El grado de acidez de una disolución viene dado por la concentración de hidrogeniones H + y se miden en valore de P H. El P H se define como el logaritmo decimal cambiado de signo de la concentración de iones hidronio [H 3 O + ]. 1 p H = log + H [ ] Si [H + ] = 10-7 H 1 p = log P H = log 1 log 10-7 = 0- (-7) log 10 P H = 7 7 [ 10 ] Si [H + ] = 10-7 P H = 7 Neutro Si [H + ] > 10-7 P H < 7 Ácido Si [H + ] < 10-7 P H > 7 Básico Los valores de P H oscilan entre 0 y 14. En los seres vivos el P H se mantiene constante entre valores comprendidos entre 5.5 y 6.5. Debido a las reacciones metabólicas, este P H tiende a variar y para evitarlo existen disoluciones salinas llamadas sistemas amortiguadores o tampón, formadas por un ácido débil y su base conjugada. Entre los sistemas tampón destacan dos: Sistema tampón bicarbonato, que actúa en la sangre. Acidifica HCO H + H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O Ión bicarbonato ác. carbónico Sistema tampón fostafo, que actúa dentro de las células. Neutraliza - -2 H 2 O + H 2 PO 4 HPO 4 dihidrógeno fostato Acidifica + H 3 O Monohidrógeno fosfato En ambos casos si una reacción metabólica libera [H + ] el tampón se desplaza hacia la izquierda para neutralizar y si la reacción precisa [H + ] se desplaza hacia la derecha para acidificar. 7