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Temas de Biología contemporánea para Bachilleratos tecnológicos de Rosalino Vázquez Conde y Rosalino Vázquez López aborda en su totalidad el programa de estudios actualizado de la materia y mantiene el enfoque pedagógico por competencias. La obra se ha organizado en cinco unidades: Bioquímica, Estructura, Procesos vitales, Evolu- ción y Tecnología. En cada unidad de competencia se integran interesantes actividades para realizar de manera individual y en trabajo colaborativo y cooperativo. El libro incluye un proyecto integrador, ubicado al inicio de cada unidad de competencia con la finalidad de que el estudiante investigue, analice, reflexione y organice su trabajo de tal forma que proponga distintas formas de solución de una manera integral y sistemática. Los contenidos de esta obra posibilitan el desarrollo gradual y sucesivo de conocimientos y habilidades; asimismo, propician la disposición al cumplimiento, la participación y el trabajo autónomo, y promueven valores que se traducen en respeto, tolerancia y responsabilidad, entre otros que señala el programa. www.editorialpatria.com.mx Vázquez Vázquez Vázquez VázquezVázquez Vázquez para para para C M Y CM MY CY CMY K PCONTENDIO TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEAPrimera edición ebook, 2017 Rosalino Vázquez Conde Rosalino Vázquez López Temas de Biología contemporánea para Bachilleratos tecnológicos P Correo: Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Azcapotzalco, 02400, Ciudad de México e-Mail: info@editorialpatria.com.mx Fax pedidos: (0155) 5354 9109 • 5354 9102 Sitio web: www.editorialpatria.com.mx Teléfono: (0155) 53 54 91 00 Para establecer comunicación con nosotros puede utilizar estos medios: Grupo Editorial Patria® División Bachillerato, Universitario y Profesional Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinación editorial: Alma Sámano Castillo Diseño de interiores y portada: Juan Bernardo Rosado Solís Supervisión de producción editorial: Miguel Ángel Morales Verdugo Diagramación: Juan Castro (Trocas) Ilustraciones: Carlos Enrique León Chávez, Perla Alejandra López Romo, José Luis Mendoza Monroy Fotografías: Thinkstock Temas de Biología contemporánea para Bachilleratos tecnológicos DGETI Derechos reservados: © 2017, Rosalino Vázquez Conde, Rosalino Vázquez López © 2017, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. ISBN ebook: 978-607-744-846-4 (Primera edición) Renacimiento 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, Ciudad de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43 Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México / Printed in Mexico Primera edición ebook: 2017 Grupo Editorial Patria® Contenido Unidad 2 ESTRUCTURA ................................................................................................................ 38 2.1 CITOPLASMA .................................................................................................................................... 46 2.2 SISTEMA DE MEMBRANAS ............................................................................................................... 47 2.3 ORGANELOS CELULARES ................................................................................................................. 53 Citoesqueleto ..................................................................................................................................... 54 Centríolos .......................................................................................................................................... 55 Ribosomas ......................................................................................................................................... 56 Retículo endoplasmático .................................................................................................................... 56 Aparato de golgi ................................................................................................................................ 56 Lisosomas .......................................................................................................................................... 57 Vacuolas ............................................................................................................................................. 58 Peroxisomas ....................................................................................................................................... 59 Mitocondrias ...................................................................................................................................... 59 Plastos ............................................................................................................................................... 60 2.4 NÚCLEO ............................................................................................................................................ 60 Nucléolo ............................................................................................................................................ 61 Contenido BIOQUÍMICA ................................................................................................................ 2 1.1 BIOELEMENTOS ................................................................................................................................ 9 Macroelementos ............................................................................................................................... 11 Microelementos ................................................................................................................................. 11 Propiedades del agua ......................................................................................................................... 12 Sales minerales ................................................................................................................................... 15 1.2 BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS ......................................................................................................... 16 Carbohidratos .................................................................................................................................... 17 Lípidos ............................................................................................................................................... 20 Proteínas ............................................................................................................................................ 24 Ácidos nucleicos ................................................................................................................................. 33 Unidad 1 Presentación de la obra ............................................................................................................................. V III Unidad 3 PROCESOS VITALES ...................................................................................................... 68 3.1 TRANSPORTE .................................................................................................................................... 73 TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA CONTENIDOC Unidad 4 EVOLUCIÓN ................................................................................................................. 128 4.1 TEORÍAS EVOLUTIVAS ...................................................................................................................... 133 Evidencias de la evolución .................................................................................................................. 139 Mecanismo de la evolución ................................................................................................................147 Evolución celular ................................................................................................................................ 151 4.2 GENES ............................................................................................................................................... 154 ADN y ARN ....................................................................................................................................... 154 4.3 SÍNTESIS DE PROTEÍNAS ................................................................................................................... 157 Conceptos básicos de genética ........................................................................................................... 162 4.4 VIRUS ................................................................................................................................................ 167 IV TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA CONTENIDO TECNOLOGÍA ............................................................................................................... 176 5.1 BIOTECNOLOGÍA ............................................................................................................................. 181 ADN recombinante ............................................................................................................................ 181 Transgénicos ...................................................................................................................................... 191 Cultivo de tejidos ............................................................................................................................... 193 Células madre .................................................................................................................................... 195 Clonación ........................................................................................................................................... 197 Genética humana ............................................................................................................................... 200 5.2 BIOÉTICA .......................................................................................................................................... 204 GLOSARIO ............................................................................................................................................... 208 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................... 213 VÍNCULOS EN INTERNET ......................................................................................................................... 213 Unidad 5 Transporte pasivo ............................................................................................................................... 73 Transporte activo ................................................................................................................................ 77 Endo y exocitosis ................................................................................................................................ 78 3.2 METABOLISMO CELULAR ................................................................................................................ 80 3.3 NUTRICIÓN CELULAR ...................................................................................................................... 86 3.4 RESPIRACIÓN CELULAR ................................................................................................................... 100 3.5 EL CICLO CELULAR ........................................................................................................................... 104 Interfase ............................................................................................................................................. 105 3.6 REPRODUCCIÓN CELULAR .............................................................................................................. 106 Apoptosis ........................................................................................................................................... 107 3.7 IRRITABILIDAD .................................................................................................................................. 115 3.8 EXCRECIÓN ...................................................................................................................................... 122 Grupo Editorial Patria® V CONTENDIOCONTENIDO V CTEMAS DE BOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Nuestros órganos sensoriales, llamados comúnmente de los sentidos, nos permiten diferenciar la diversidad de seres vivos que habitan en nuestro ambiente de los objetos inanimados o inertes (sin vida), de tal manera que no es posible confundir un ser vivo como un gato, un perro o una planta con una roca o algún objeto metálico. Todos los seres vivos, aunque sean de distinta especie, comparten muchas caracterís- ticas comunes que los hacen diferentes a los objetos inertes, por ejemplo, en la com- posición del material que los estructura participan los mismos elementos esenciales y en sus funciones metabólicas comparten muchos procesos similares y transmiten su información hereditaria por medio de los ácidos nucleicos ADN y ARN. En un principio, los conocimientos de la biología, que es la ciencia que estudia a los seres vivos desde diferentes enfoques, fueron eminentemente descriptivos. Después, con el avance de la civilización, en sus distintas etapas se fueron descubriendo diversos procesos biológicos, algunos de concepciones erróneas que fueron rechazados, otros continúan vigentes o han servido de base a investigaciones posteriores. Cuando ese conjunto de conocimientos acumulados se sistematizó y se empleó un método para su verificación o rechazo, basado en la observación, formulación de hipótesis y experimen- tación, la biología adquirió la categoría de ciencia. En los últimos decenios las ciencias biológicas han tenido un avance extraordinario; los conocimientos de esta ciencia se ha incrementado y modificado conforme avanza el de- sarrollo social y tecnológico. La biología contemporánea es producto del avance jamás visto de esta ciencia, el enfoque interdisciplinario que ha adquirido al interrelacionarse con otras ciencias y en los últimos años, apoyado por sofisticados equipos e instrumen- tos, le han permitido alcanzar los logros con muchas aportaciones al bienestar humano y al mejoramiento de su ambiente. Al ser la biología una ciencia experimental, fundamenta la mayor parte de sus conoci- mientos en el método científico, el cual en su aplicación como procedimiento didáctico en las actividades experimentales que se proponen en esta obra, vinculan su parte teó- rica con los experimentos prácticos. A partir de este hecho, el alumno puede obtener la motivación para asumir una actitud analítica y una visión práctica de la biología, que le ayuden a comprender los procesos biológicos comunes entre todos los seres vivos que conforman la biodiversidad y relacionarlos con su vida. Temas de biología contemporánea está estructurado conforme al programa de la asig- natura correspondiente al Plan de Estudios del Bachillerato Tecnológico de la SEP. Está organizado con los lineamientos del actual enfoque pedagógico por competencias, que no sólo pretende propiciar la participación activa del estudiante en la construcción de sus conocimientos, sino saberlos aplicar en los casos y los momentos apropiados, es decir, motivar a los alumnos en el desarrollo de la capacidad de solucionar los proble- mas de la vida cotidiana. En la obra se abordan las competencias genéricas, las disciplinares básica que for- man parte del marco curricular del Sistema Nacional del Bachillerato, así como los conceptos actualizados de la asignatura. Se exponen con lenguaje sencillo,accesible al educando de este nivel; el libro también contribuye al aprendizaje colaborativo, don- Presentación de la obra VI P TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA PRESENTACIÓN VI de los alumnos organizados en pequeños equipos interactúan entre sí para alcanzar su aprendizaje y el de los demás miembros del grupo, mediante el desarrollo de la capacidad de resolver problemas, elaborar resúmenes de investigaciones bibliográficas, reportes de prácticas experimentales, etcétera. La dinámica cultural de la sociedad contemporánea no es posible concebirla sin los conocimientos básicos de la informática y la educación no puede ser la excepción, por eso se incluyen en la obra las actividades con TIC (Tecnología de la Información y la Comunicación), que son los actuales instrumentos para difundir y generar los conoci- mientos a través del uso de internet. El libro se compone de cinco unidades: 1. Bioquímica 2. Estructura 3. Procesos vitales 4. Evolución 5. Tecnología En él encontrarás los componentes químicos de la célula, necesarios para mantener en equilibrio las condiciones internas de los organismos (homeostasis) y así conservar en estado saludable el funcionamiento de las células que integran los diversos sis- temas del organismo. Asimismo, analizarás la estructura y el funcionamiento de las células, su metabolismo, crecimiento, reproducción y transmisión de su información hereditaria. Estos conocimientos te serán de utilidad para abordar los procesos bio- tecnológicos contemporáneos, cuyos avances están logrando las mejores condiciones de vida de los organismos, entre éstos la especie humana, así como el mejoramiento de su medio ambiente. Al término del curso, el alumno tendrá una visión más amplia de los procesos celulares y moleculares de mayor relevancia para poder así entender mejor la realidad de la in- vestigación en ciencias biológicas y con ello sus áreas de oportunidad para el desarrollo profesional. Los autores deseamos que la presente obra se convierta en un aliado del profesor en su noble tarea durante el proceso de enseñanza-aprendizaje, para ello cuenta con di- versas secciones que contribuyen a ampliar el panorama del alumno con respecto a la investigación científica en el área biológica que acontece en su país, así como también diferentes actividades de aprendizaje, experimentales y recursos evaluativos y de for- mación práctica. Los autores PTEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEAPRESENTACIÓN Grupo Editorial Patria® 1 Es tr uc tu ra c on ce pt ua l d e Te m as d e B io lo gí a C on te m po rá ne a Excreción Biomoléculas Es tr uc tu ra Bi oq uí m ic a Pr oc es os v ita le s Ev ol uc ió n G en es Te or ía s ev ol ut iv as Sí nt es is de p ro te ín a M et ab ol is m o A ut op oi es is y h om eo st as is Te cn ol og ía Bi ot ec no lo gí a Bi oé tic a Vi ru s Contenidos procedimentales SI ST EM A C EL U LA R Contenidos actitudinales Citoplasma Bioelementos Irritabilidad Ciclo celular Reproducción Respiración celular Nutrición celular Metabolismo celular Sistema de membranas Transporte Organelos celulares Núcleo Apartado1 BIOQUÍMICA Apartado Unidad 1 Grupo Editorial Patria® 3 Tema integrador ¡Todo se mueve!Tema integrador Contenido 1.1 Bioelementos Macroelementos Microelementos Propiedades del agua Sales minerales 1.2 Biomoléculas orgánicas Carbohidratos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos Con la experiencia que tienes y los conocimientos adquiridos en clases, reflexiona sobre las siguientes preguntas y contéstalas en forma breve. 1. ¿Qué importancia tienen los bioelementos para nuestras células? 2. ¿Cuál es el elemento que es característico en la composición de las moléculas orgánicas? 3. ¿Cuáles son los nutrientes que debe contener nuestra alimentación para conser- var la salud? 4. ¿Por qué las comidas “chatarras” no se consideran alimentos sanos? 5. ¿Cuáles son los nutrientes que no deben consumirse en exceso si se quiere evi- tar el sobrepeso y la obesidad? Coevaluación: Para intercambiar experiencias y conocimientos con tus compañeros y al mismo tiempo fomentar la participación, la reflexión y la emisión de críticas constructivas sobre la actividad académica en los integrantes de tu grupo, realiza la siguiente actividad: después de responder el cuestionario anterior y con la di- rección de tu profesor(a), intercambia tus respuestas con las de otra compañera o compañero. Comparen las respuestas y emitan una valoración de ellas, haciendo las correcciones necesarias, para después exponer y discutir en grupo las conclu- siones. Evaluación diagnóstica Grupo Editorial Patria® 3 La importancia en los procesos biológicos de los bioelementos y biomoléculas que participan en la estructura y función celular. Los primeros se dividen en macroele- mentos y microelementos y las biomoléculas en carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Tema integrador ¿Qué aprenderé? Apertura Tema integrador 4 1 TEMAS DE BOLOGÍA CONTEMPORÁNEA v vw 1 TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA BIOQUÍMICA 4 Competencias genéricas a desarrollar 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. Atributo: Analiza críticamente los factores que influyen en su toma de decisiones. 3. Elige y practica estilos de vida saludables. Atributos: Reconoce la actividad físi- ca como un medio para su desarrollo físico, mental y social. Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos me- diante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. Atributos: Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, matemáticas o gráficas. Aplica distintas estrategias comunicativas según quienes sean sus interlocutores, el contexto en el que se encuentra y los objetivos que persigue. Identifica las ideas claves en un texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas. Maneja las tecnologías de la información y la comunicación para obtener información y expresar ideas. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. Atributos: Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexi- va, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. Ordena información de acuerdo con categorías, jerarquías y relaciones. Construye hipótesis y diseña y aplica modelos para probar su validez. Sintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentación para producir conclusiones y formular nuevas preguntas. Utiliza las tecnologías de la información y la comu- nicación para procesar e interpretar información. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, con- siderando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. Atributos: Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo con su relevancia y confiabilidad. Conoce los propios prejuicios, modifica sus puntos de vista al conocer nuevas evidencias e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sintética. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. Atributos: Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimiento. Ar- ticula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. Atributo: Aporta pun- tos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. Competencias disciplinares básicas 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana,asumiendo consideraciones éticas. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea hipóte- sis necesarias para responderlas. 1TEMAS DE BOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Grupo Editorial Patria® 5 1TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEABIOQUÍMICA Grupo Editorial Patria® 5 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipó- tesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realización de actividades de su vida cotidiana. ¿Qué tienes que hacer? A continuación se te propone una serie de actividades que debes realizar para al- canzar los propósitos del tema integrador. 1. Asesorados por tu profesor(a) incorpórate a un equipo, para que por medio de la participación de todos logren construir los conocimientos derivados del tema integrador. 2. Realiza de forma individual la lectura de los conceptos fundamentales del conte- nido de tu texto para estar en posibilidades de ejecutar las diversas actividades de aprendizaje que se te piden, trabajar colaborativamente, intercambiando opi- niones con los miembros de tu equipo y elaborar conclusiones para una exposi- ción grupal. 3. Investiga en diferentes fuentes (libros, revistas especializadas, enciclopedias o por internet) los temas que en el texto se te solicitan, por ejemplo, la importan- cia de los bioelementos y las biomoléculas en el mantenimiento de la homeosta- sis y las funciones celulares, para después elaborar un resumen ilustrado de tus conclusiones. 4. Después de realizar las actividades experimentales solicitadas en el texto, ela- bora el reporte por escrito de cada actividad. 5. En equipo elaborarás una muestra gastronómica típica de tu comunidad o región, identificando en su composición las moléculas orgánicas en alimentos naturales. 6. En equipo presentarán ante el grupo, con el apoyo de algún material ilustrado, sus conclusiones sobre la importancia de las biomoléculas orgánicas como nu- trientes de los alimentos. 7. Aplicando las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), comple- menta tu información para elaborar en equipo un organizador gráfico sobre la importancia de los ácidos nucleicos. 8. Coordinados por el profesor(a) discutan mediante lluvia de ideas sobre el avance de la genética en el mejoramiento de la calidad de vida y del medio ambiente. BIOQUÍMICA 6 1 TEMAS DE BOLOGÍA CONTEMPORÁNEA1 TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA 6 BIOQUÍMICA Autoevaluación Para tu reflexión respecto a los resultados obtenidos como producto de tus activida- des desarrolladas en el tema integrador, responde en tu cuaderno tu avance. Aspectos a evaluar N i v e l e s Excelente (4) Bueno (3) Satisfactorio (2) Deficiente (1) Total Comprensión de los temas Demostré que comprendí y apliqué los temas Demostré que entendí y apliqué algunos de los temas Mostré comprensión parcial de los temas No comprendí los aspectos centrales de los temas Relevancia en mis intervenciones Mis aportaciones enriquecieron las ideas de mis compañeras/os Aporté ideas que aclararon algunas dudas de mis compañeras/os Mis intervenciones no fueron claras ni ayudaron a esclarecer los temas No participé durante las actividades Actitud en mi participación Mi participación siempre fue con una actitud propositiva y entusiasta Casi siempre colaboré en las actividades Ocasionalmente ayudé y no fueron muy interesantes para mí las actividades Me fueron indiferentes las actividades Actitud en mi carácter comunicativo Siempre expuse mis ideas, estableciendo la comunicación con mis compañeras/os y respondí a las interpelaciones que me formularon Completé las ideas expuestas por mis compañeras/os, estimulando el diálogo y no respondí a las interpelaciones que me formularon Completé algunas de las ideas expuestas por mis compañeras/ os, estimulando el diálogo y no respondí a las interpelaciones Respondí a las interpelaciones que me hicieron Habilidades expositivas La presentación de mi exposición fue concisa y enfaticé en lo más importante La presentación fue concisa, repetí la información más relevante para enfatizarla Repetí constantemente la información, sin ninguna diferencia Expuse la información sin hacer énfasis en lo más importante Conducta Siempre me mostré tolerante ante la crítica de los demás y respeté las opiniones de mis compañeras/os Casi siempre toleré críticas y traté de respetar la diversidad de opinión de los demás Casi no acepté las críticas, no respeté del todo las ideas de los demás Fui intransigente en críticas y comentarios Conclusiones Fueron claras y congruentes Se entendieron fácilmente, en su mayoría son relacionadas al tema Fueron poco claras y no relacionadas con el tema No fueron claras ni acordes con lo planteado Observaciones: Total Coevaluación Una vez concluida la autoevaluación, espera las indicaciones de tu profesor(a) para intercambiar tu hoja de respuesta con la de otra compañera o compañero. Inter- cambien ideas sobre las respuestas y de ser necesario corríjanlas con objetividad y respeto, de manera que las aseveraciones que se emitan sean tomadas en cuenta como aportaciones constructivas. 1TEMAS DE BOLOGÍA CONTEMPORÁNEABIOQUÍMICA Grupo Editorial Patria® 7 1TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Grupo Editorial Patria® 7 BIOQUÍMICA Elabora tu portafolio de evidencias El portafolio de evidencias es un método de evaluación que consiste en: • Recopilar los diversos productos que realizaste durante cada unidad (investiga- ciones, resúmenes, ensayos, síntesis, cuadros comparativos, cuadros sinópticos, reporte de prácticas de laboratorio, entre otros), de tu proceso de aprendizaje en este curso. • No vas a integrar todos los instrumentos o trabajos que realizaste, sino a recopi- lar aquellos que tu profesor(a), considere los más significativos en el proceso de aprendizaje. • Incluye material que te permita reflexionar y darte cuenta de cómo fue tu des- empeño durante el desarrollo de las actividades de aprendizaje realizadas. Etapas para operar el portafolio de evidencias Instrucciones de selección de evidencias 1. Comenta con tu profesor(a) el propósito de tu portafolio y su relación con los objetos de aprendizaje, competencias a desarrollar, desempeños esperados, entre otros elementos; se acordará el periodo de compilación de los productos (por unidad, bimestre o semestre). 2. Haz un registro de los criterios que debes considerar al selec- cionar tus evidencias de aprendizaje. 3. Comenta con tu profesor(a) todas las dudas que tengas. 1. Realizarás todas las evidencias y podrás incluir las que ela- boraste de manera escrita, audiovisual, artística, entre otras. 2. Selecciona aquellas que den evidencia de tu aprendizaje, competencias y desempeños desarrollados, y que te posibili- tan reflexionar sobre ello. 3. Todas las evidencias seleccionadas deben cumplir con el pro- pósito del portafolio en cantidad, calidad y orden de presen- tación. Propósito del portafolio de evidencias Semestre Observa los resultados del proceso de formación a lo largo del semestre, así como el cambio de los procesos de pensamiento sobre ti mismo y lo que te rodea, a partir del conocimiento de los distin- tos temas de estudio, en un ambiente que te permita el uso óptimo de la información recopilada. Observar el cambio 5 unidades Asignatura Nombre del alumno Criterios de reflexión sobre lasevidencias ¿Cuáles fueron los motivos para seleccionar las evidencias presentadas? ¿Qué desempeños demuestran las evidencias integradas a este portafolio? ¿Qué mejoras existen entre las primeras evidencias y las últimas? Comentarios del estudiante __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ Monitoreo de evidencias Comentarios del profesor(a) Núm. Título Fecha de elaboración 1 2 3 4 8 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Nuestro organismo requiere, además de agua y sales minerales, otras sustancias que pertenecen al grupo denominado compuestos orgánicos. Estas sustancias las obtiene el organismo por medio de los alimentos que consume. Los compuestos orgánicos son producidos por seres vivos y se caracterizan por contener carbono. Los carbohidratos, llamados también hidratos de carbono o azúcares, representan una importante fuente de energía para la célula y también participan en la composición de sus estructuras. Los car- bohidratos más sencillos son los monosacáridos como la glucosa. Cuando dos monosacáridos se unen forman los disacáridos como la sacarosa, que es el azúcar de mesa (formado de glucosa y fructosa). La unión de varios monosacáridos estructuran los polisacáridos como el almidón, que es un material de reserva de las células vegetales, abundante en los cereales como maíz, arroz y trigo. El glucógeno, llamado también almidón animal, es otro polisacárido formado por moléculas de glucosa y se almace- na en hígado y músculos. Los lípidos. Algunos tienen la función de almacenar la energía, otros participan en la composición de las membranas celulares y un tercer grupo es importante en la síntesis de hormonas. Los triglicéridos son lípidos que se almacenan en la célula (grasa) y son fuente de energía, proporcionan más del doble de energía que los carbohidratos. Las células del tejido animal al almacenar grasa por mucho tiempo, la emplean como aislante y como cubierta protectora. Otros lípidos son los fosfolípidos, principales componentes de las membranas celulares y los esteroides, algunas son hormonas. La carne, los pro- ductos lácteos y algunos productos vegetales como las nueces y los cacahuates son fuentes de grasa en la alimentación. Las proteínas son macromoléculas que desempeñan muchas funciones en las células, entre las que destacan su papel como material de construcción de las células y acelerador de la velocidad de las reacciones químicas celulares. Parte importante de las plantas que tenemos en nuestro pequeño jardín o de los cereales que se trituran para fabricar la tortilla y el pan que consumimos, el pescado, la carne de la res y del cerdo, son proteínas. Las proteínas se componen por la unión de moléculas sencillas llamadas aminoácidos. En la naturaleza sólo hay 20 aminoácidos. Sin embargo, con la com- binación de ellos la célula puede formar miles de proteínas. Vitaminas y minerales. Las vitaminas son también sustancias orgánicas, que se requieren en pequeñas cantidades para mantener el buen funcionamiento del organismo. Se clasifican en aquellas que son solubles en agua y las que son solubles en grasa. Los minerales son sustancias inorgánicas que el organismo extrae de los alimentos. Gran parte del contenido mineral del organismo se encuentra en el esqueleto. Nuestros huesos poseen un alto contenido de calcio y fósforo. Además, algunos parti- cipan en reacciones celulares como el sodio y el potasio involucrados en el mecanismo denominado bomba sodio-potasio que se presenta en las células nerviosas. Desarrollo El 16 de octubre de 2016, con motivo del aniversario del Día Mundial de la Alimentación, proclamado en 1979 por la Conferencia de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), los directores del Sector Salud de nuestro país emitieron una declaración de emergencia epidemiológica por el in- cremento que se ha presentado del sobrepeso y la obesidad en nuestro país y en diferentes regiones del mundo. Este problema de salud pública tiene un origen múltiple, independientemente del factor genético que puede pre- Para tu reflexión Grupo Editorial Patria® 9 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA 1.1 BIOELEMENTOS Los seres vivos, al igual que los cuerpos u objetos que nos rodean, están formados por materia (lo que tiene masa y ocupa espacio), que a su vez está compuesta de elementos químicos, es decir, sustancias simples, que sólo contienen una clase de materia y que, por lo mismo, no pueden descomponerse en otras. La unidad más pequeña del elemento es el átomo. Dos o más átomos se unen mediante enlaces químicos y forman una molécula, ésta es la partícula más pequeña a la que puede reducirse un com- puesto, sin que se alteren sus propiedades. Elemento. Es la sustancia que no puede dividirse en sustancia más sencilla por reacciones químicas comunes. Entre los elementos naturales, los que participan con 99% en la composición de la materia viva son los siguientes: azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno, carbono e hidrógeno (SPONCH por sus símbolos de sus elementos), aunque existen otros como el magnesio y el sodio que también son im- portantes en ciertos procesos. La información de cada elemento como nombre, símbolo, masa atómica y otras, se reúnen en la tabla periódica de los elementos. Las unidades básicas de los elementos químicos son los átomos. Algunas funciones de los elementos SPONCH son las siguientes: • Azufre (S) participa en la composición de gran parte de las proteínas. • Fósforo (P) es constituyente del ATP, que es la molécula portadora de la energía biológicamente útil y forma parte de muchas otras moléculas biológicas, por ejemplo, los fosfolípidos, ácidos nucleicos. En forma de fosfato entra en la composición de huesos y dientes. disponer a las personas al desarrollo de la enfermedad. Situaciones propias de la vida contemporánea contribuyen a que las personas ingieran mayor cantidad de calorías que la necesaria en la realización de sus actividades cotidianas. El sobrepeso y la obesidad pueden conducir a enfermedades cardiovasculares y a la diabetes. La mayoría de los enfermos diabéticos suelen desarrollar complicaciones graves como la insuficiencia renal, la ceguera por retinopatía diabética y amputación de extremidades inferiores por insuficiencia circulatoria. Ante esta situación que ha aumentado en los últimos años, los especialistas sugieren evitar el consumo de alimentos elevados en grasa, aceites, azúcares y sal y comer suficiente verduras y frutas, disminuir en la dieta el consumo de alimentos de origen animal, asimismo, realizar actividades físicas y practicar algún deporte. 10 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA • Oxígeno (O) es componente del agua y de la mayoría de las moléculas orgánicas y como oxígeno molecular es aprovechado en la respiración de los organismos de respiración aerobia. • Nitrógeno (N) participa en la composición de todas las proteínas y los ácidos nucleicos. • Carbono (C) forma parte de la composición de las moléculas orgánicas. • Hidrógeno (H) es componente del agua y de todas las moléculas orgánicas. Átomo. En 1805 el físico químico John Dalton propuso la teoría atómica, estableciendo que las sus- tancias están formadas por partículas indivisibles de materia llamadas átomos. Aunque el término átomo proviene de un vocablo griego que significa indivisible, investigaciones actuales han descubierto muchas partículas subatómicas, pero para nuestro curso solamente consideraremos las siguientes: los electrones (–) con carga negativa, los protones (+) con carga positiva y los neutrones sin carga, es decir, son eléctricamente neutros. Los protones y neutrones forman el núcleo y los electrones giran alrededor del núcleo. El número de protones dentro del núcleo es igual al número de electrones fuera del núcleo, por tanto, el átomo es eléctricamenteneutro, sin embargo puede ganar o perder electrones para trans- formarse en ion con carga positiva o negativa. En los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno hay dos electrones en la capa interna que se mantienen fuertemente unidos y no participan en las reacciones químicas, mientras que los electrones de la capa externa por estar unidos con menor fuerza pueden interactuar con electrones de otros átomos en la formación de compuestos. Los electrones localizados en las capas alejadas del núcleo generalmente son los más energéticos que los que se encuentran en las capas cercanas al núcleo. Los átomos de un mismo elemento que a pesar de tener el mismo número de electrones y de protones difieren en el número de neutrones (por lo que tienen el mismo número atómico pero diferente masa atómica), se llaman isótopos (de isos: igual y topos: lugar), y ocupan el mismo casillero en la tabla periódica. Esto significa que cuentan con las mismas propiedades químicas, pero por tener un número diferente de neutrones difieren en su masa atómica y en ciertas propiedades físicas. El empleo de los isótopos ha sido de gran utilidad en las investigaciones biológicas, especialmente los isótopos radiactivos que han servido como marcadores para rastrear la trayectoria de algunos compuestos específicos en la célula viva. Por ejemplo, el carbono 14 (que consta de 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones). El número 14 resulta de la suma de sus 6 protones y sus 8 neutrones, no se incluye el número de electrones. Estructura atómica del hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno. 1.1 Grupo Editorial Patria® 11 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA MACROELEMENTOS Macroelementos, también llamados bioelementos primarios. De los elementos naturales que se cono- cen, seis participan en mayor proporción (cerca de 99%) en la composición de la materia que cons- tituye a la célula y son el azufre (S), fósforo (P), oxígeno (O), nitrógeno (N), carbono (C) e hidrógeno (H) (SPONCH). MICROELEMENTOS Los microelementos, también llamados bioelementos secundarios, participan en la composición de la materia celular, sólo que en menor proporción. No se puede prescindir de ellos, ya que su carencia puede provocar serios trastornos al funcionamiento de la célula. Entre los microelementos se encuen- tran el sodio (Na), magnesio (Mg), calcio (Ca), potasio (K), cloro (Cl). Otros bioelementos secundarios conocidos como variables, por ejemplo, el plomo (Pb), bromo (Br), vanadio (V), zinc (Zn) y titanio (Ti), pueden no estar presentes en algunas células. Macroelementos Nombre Símbolo Función Carbono C En su capa externa tiene cuatro electrones con los que puede unirse por enlaces co- valentes a otros carbonos, con los cuales se suelen formar las macromoléculas, que son largas cadenas de átomos. Hidrógeno H También participa en la formación de la materia orgánica, forma parte del agua y con su único electrón puede enlazarse con los otros bioelementos primarios. Oxígeno O Se aprovecha en la respiración aerobia, es componente del agua y de la mayoría de los compuestos orgánicos. Nitrógeno N Es componente de las proteínas y ácidos nucleicos. A pesar de su abundancia en la atmósfera, los organismos por lo general lo aprovechan de las plantas que lo absor- ben en forma de ion nitrato (NO3 2) del suelo. Azufre S Participa en la composición de muchas proteínas. Fósforo P Forma parte de muchas moléculas biológicas, por ejemplo, los fosfolípidos de la mem- brana citoplasmática, ácidos nucleicos, el ATP. En forma de fosfato entra en la compo- sición de huesos y dientes. Microelementos Nombre Símbolo Función Sodio Na Mantiene el equilibrio osmótico de la célula y es esencial para la transmisión del impulso nervioso. Potasio K Interviene en la transmisión del impulso nervioso y en la contracción muscular, en los vegetales regula la apertura de los estomas. Cloro Cl El ion cloruro desempeña una función importante en el equilibrio híbrido de la célula. Calcio Ca Participa en la composición de huesos y dientes, en forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso. Magnesio Mg Activa muchas enzimas y es componente de la clorofila. 12 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA PROPIEDADES DEL AGUA Estructura molecular del agua La molécula del agua está compuesta por un átomo de oxí- geno (O) y dos de hidrógeno (H); los átomos de hidróge- no se unen al átomo de oxígeno formando un ángulo de 104.5º, el átomo de oxígeno se encuentra en un extremo de la molécula y los de hidrógeno en el otro extremo. Cada hidrógeno tiene una carga parcial positiva (+) y el oxígeno una carga parcial negativa (–), es decir, las cargas negativas se distribuyen en el lado del oxígeno y las positivas de los hidrógenos, como los polos de un imán y por tener distri- buidos en forma desigual las cargas se dice que la molécula es polar y los enlaces que mantienen juntos sus átomos son covalentes. La naturaleza polar de la molécula de agua hace que se establezca una atracción electrostática entre la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula y la carga parcial positiva de un átomo de hidró- geno de otra, redistribuyéndose las cargas eléctricas en las dos moléculas. Esa unión electrostática es por enlaces de hidrógeno, como consecuencia se origina una elevada cohesión entre las moléculas de agua. Cada molécula puede formar puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Propiedades del agua Cohesión. Como consecuencia del enlace de hidrógeno que se forma entre las moléculas de agua, éstas se mantienen unidas; los enlaces de hidrógeno constantemente se rompen y se forman enlazán- dose entre moléculas vecinas; esa unión por enlaces de hidrógeno que forma el agua es lo que produce el fenómeno de cohesión. La cohesión contribuye al transporte del agua con los nutrientes disueltos absorbidos por la raíz, hasta las partes altas de la planta, por medio de los vasos conductores. Por la cohesión el agua origina una alta tensión superficial, la cual se debe a la fuerte atracción entre sí de las moléculas superficiales que generan una capa compacta, fenómeno que se puede observar cuando algunos insectos y arañas se desplazan sobre la superficie del agua. Adhesión. Es la propiedad del agua de unirse a otras sustancias, como ocurre cuando las moléculas de agua se pegan a las moléculas de celulosa de la pared interna de los pequeños conductos del xilema, lo que ayuda a mantener sin interrupción la columna de agua que sube de la raíz al tallo. Capilaridad. La cohesión, que es la tendencia de las moléculas de agua de mantenerse unida y la adhesión, que es la atracción entre moléculas de distinta sustancia, generan la acción capilar, la cual permite que el líquido suba por el interior de conductos de pequeño diámetro como el de los vasos del xilema, donde las fuerzas de la capilaridad hacen que el agua ascienda desde la raíz de la planta hasta los tallos y hojas. El calor específico del agua es elevado, porque se requiere mucho calor para elevar su temperatura. Se necesita 1 caloría para aumentar a 1 ºC la temperatura del agua; comparada con la mayoría de los líquidos, el agua absorbe mayor cantidad de energía calorífica para poder incrementar su temperatura y cuando su temperatura disminuye se pierde mucho calor; esto se debe a la alteración que presentan 105º H H+ O – H+ O H El esquema de una molécula de agua que muestra su polaridad. 1.2 Grupo Editorial Patria® 13 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas sus moléculas, los cuales contrarrestan los cambios drás- ticos de su temperatura. Es por esta razón que las masas acuáticas como los lagos y los océanos tienen una temperatura relativamente constante, lo que favorece a los organismos que viven en esos medios y en los lugares cercanos como las zonas costeras donde las variaciones de temperaturason mínimas que las del interior del continente. Los tres estados del agua son líquido, gaseoso y sólido; al pasar de un estado a otro los enlaces de hidrógeno que unen a sus moléculas se forman o se rompen; en estado líquido los enlaces de hidrógeno están continuamente rompiéndose y volviéndose a formar, pero cuando el agua se calienta se rompen muchos de sus enlaces de hidrógeno y si la temperatura se incrementa puede ocasio- nar que se rompa la mayor parte de los enlaces de hidrógeno y sus moléculas se muevan libremente en for- ma de gotitas de vapor de agua, situación contraria sucede cuando el agua se convierte en sólido (hielo), cada molécula de agua forma más enlaces de hidrógeno, cuatro enlaces con sus moléculas adyacentes. Densidad mayor en estado líquido. El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido, esto hace que el hielo flote sobre la superficie del agua de los lagos y los mares y permita una mayor tem- peratura en el fondo que favorece la vida de los organismos de los estratos inferiores. Calor de vaporización. La evaporación consiste en convertir el agua de estado líquido a gaseoso, para ello se requiere de mucha energía calorífica: 540 cal. (una caloría, cal., es la cantidad de energía ca- lorífica necesaria para aumentar en 1 ºC, la temperatura de 1 g de agua). Este fenómeno hace que los enlaces de hidrógeno se rompan para convertir el líquido en vapor. Esta propiedad del agua contribuye a regular la temperatura ambiental que favorece el desarrollo de la vida de los organismos; también los humanos y otros mamíferos se ven favorecidos con esta propiedad del agua cuando en días calurosos o sometidos a una intensa actividad física sudan y eliminan agua que al evaporarse en la superficie de su cuerpo hace que éste se enfríe. Como disolvente. El agua disuelve muchas sustancias cuando sus moléculas se agrupan alrededor de las moléculas que disuelve y las separa en forma líquida; por ejemplo, cuando en un vaso de agua se agrega un poco de sal de cocina, cuya molécula se mantiene unida por la atracción eléctrica entre los iones de sodio (Na + ), con cargas positivas (+) y iones de cloro (Cl – ), con cargas negativas (–), los cristales de sal se separan en sus iones (Na + y Cl – ); cada ion Na + se une al extremo negativo de una molécula de agua y el ion Cl – al extremo positivo de otra molécula, de esta manera los iones se dis- persan en el líquido. Las sustancias con tendencias a interacción con el agua, es de- cir, que son afines al agua se les llama hidrófilas, por ejemplo, la sal y el azúcar; en cambio, las que rechazan el agua como el aceite se les llama hidrófobas; la cera que se encuentra en la superficie del haz (cara superior) de la hoja rechaza el agua, por eso por las mañanas es frecuente observar gotas de agua en esa superficie formada por el rocío. Reacciones bioquímicas. El agua participa en la mayoría de las reacciones bioquímicas de la célula como la respiración, la nutrición y la excreción; por ejemplo, en la digestión, para que la sacarosa o azúcar de mesa pueda ser aprovechada por la célula primero se descompone en glucosa y fructosa por un proceso llamado hidrólisis (incorporación de una molécula de agua) y en la fotosíntesis, por descomposición o disociación de la molécula de agua llamada fotolisis, los hidrógenos son transportados y utilizados en el proceso y el oxígeno es liberado al ambiente. Elabora en equipo un mapa conceptual que describa las propiedades del agua y su importancia en los procesos en los seres vivos. https://es.wikipedia.org/wiki/Agua Actividades con TIC 14 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Evaluación formativa Realiza en equipo una investigación documental acerca de la función e importancia de los bioelementos en el mantenimiento y las funciones celulares y/o corporales y expón ante el grupo los resultados por medio de un organizador gráfico. Objetivo Por medio de un sencillo experimento identificar algunas propiedades del agua y relacionar sus funciones en los pro- cesos que se desarrollan en los seres vivos. Aspectos teóricos El agua es el líquido que más abunda en la Tierra, cubre alrededor de las tres cuartas partes de su superficie y tiene algunas propiedades que se relacionan con los procesos que ocurren en los seres vivos; por ejemplo, la cohesión, que se origina por la atracción que se presenta entre sus moléculas, la cual hace que las moléculas de la capa superficial formen una alta tensión, la adhesión, que permite que el agua se una a moléculas de distinta sustancia, la capila- ridad, por la cual el agua sube por pequeños tubos de los vasos del xilema, gracias a la cohesión y adhesión de sus moléculas. Material • Dos flores blancas, una de crisantemo y otra de clavel. • Un frasco de boca ancha de 500 ml • Agua de la llave • Colorantes artificiales para alimentos Procedimiento • Vierte agua hasta la mitad del frasco. • Agrégale un poco de cualquier colorante al agua (puede ser verde para una flor y rojo para la otra) y muévela de manera circular con una cuchara. • Sumerge una parte del tallo de las dos flores en la solución. • Deja las flores en la solución durante cuatro días. • Observa y registra los cambios que se presentan en las flores. • Identifica cada una de las propiedades del agua ob- servadas y relaciona su función en los procesos en los que participa dentro de los seres vivos. • Elabora un reporte por escrito de la actividad expe- rimental y expón ante el grupo tus conclusiones. ctividad experimental Las flores blancas pintadas. 1.3 Grupo Editorial Patria® 15 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA SALES MINERALES Cuando se mezcla un ácido y una base, los iones de hidrógeno (H + ) del ácido se unen a los iones hidróxido (OH – ) de la base y forman moléculas de agua. Los iones negativos (aniones) del ácido se combinan con los iones positivos (cationes) de la base para formar sales. Por ejemplo, el ácido clor- hídrico (HCl) reacciona con el hidróxido de sodio (NaOH) para formar agua y cloruro de sodio, que es la sal común. H+Cl– + Na+OH– H2O + Na +Cl– Ácido clorhídrico + Hidróxido de sodio Agua + Cloruro de sodio La sal es el compuesto en el que el átomo de hidrógeno de un ácido es sustituido por otro catión; puede disociarse en iones positivos y iones negativos que en ningún caso serán H + o H – . Ejemplo: Na+ + Cl– NaCl Sodio + Cloruro Cloruro de sodio Iones que forman la sal común Al disolverse en agua un ácido, una base o una sal, los iones que entran en su composición se se- paran. Estas partículas se llaman electrolitos por tener la capacidad de conducir corriente eléctrica. Las células y los fluidos extracelulares (que están fuera de la célula) contienen gran variedad de sales minerales en forma de iones: cationes (+) y aniones (–). Algunos de los principales iones Cationes (+) Aniones (–) Nombre Símbolo Nombre Símbolo Sodio Na+ Cloruro Cl– Potasio K+ Bicarbonato HCO3 – Calcio Ca2+ Fosfato PO4 3– Magnesio Mg2+ Sulfato SO4 2– Ejemplo: K+ + Cl– KCl Ion potasio + Ion cloruro Cloruro de potasio Las sales se encuentran en la materia que compone a la célula en forma precipitada (separadas de su disolvente), disueltas o unidas a moléculas orgánicas. 16 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Las sales minerales precipitadas. Componen estructuras sólidas que dan sostén o protección, como el carbonato de calcio presente en la constitución de huesos y dientes, y en las conchas de los moluscos (caracol, ostra). Las sales minerales disueltas. Estos compuestos inorgánicos son totalmente imprescindibles y de gran importancia para el funcionamiento normal de la célula. Los iones están en proporciones diferentes en la célula, por ejemplo, el potasio y el fósforo se encuentran en mayor concentración en el interior de la célula, mientras que el sodio y el cloro son más abundantes en el medio extracelular,lo cual facilita la función osmótica de la membrana citoplasmática. Entre las funciones de las sales en el organismo, cabe mencionar que el impulso nervioso sólo actúa normalmente bajo cierta concentración de sodio y potasio en los fluidos corporales; además, para la contracción normal de los músculos se requiere de ciertas proporciones de calcio, potasio y sodio. Minerales unidos a moléculas orgánicas. Los iones también pueden unirse a moléculas orgánicas, por ejemplo, el fosfato participa en la estructura de los nucleótidos, también se une a proteínas (fosfopro- teínas) y a lípidos (fosfolípidos). Muchas enzimas sólo realizan su función catalítica con la participa- ción de cofactores como de fosfato, magnesio, manganeso, cobalto y otros. 1.2 BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Los compuestos orgánicos se caracterizan por contener átomos de carbono que se unen entre sí por en- laces covalentes y formar largas cadenas carbonadas de las grandes moléculas de la célula. Los cuatro electrones que el átomo de carbono tiene en su último nivel energético le permiten formar cuatro enlaces covalentes, con cada uno puede unirse a otro átomo de carbono o átomo distinto como hidrógeno, oxí- geno, fósforo, azufre y nitrógeno, para formar las moléculas esenciales para el funcionamiento celular. Estas moléculas pueden tener forma de cadenas lineales, ramificadas y anillos. El nombre “orgánico” se refiere a que en un principio, se creyó que estos compuestos solamente eran sintetizados por seres vivos, es decir, que se obtienen de plantas, animales o microorganismos; sin embargo, actualmente una enorme cantidad de estos materiales se producen de manera artificial en laboratorio. Evaluación formativa Cuando compramos el agua envasada, procuramos adquirir la de la marca que creemos es la más pura; lo que realmente resulta imposible, ya que las embotelladoras no logran quitar todas las impurezas; sin embargo, no todas son dañinas al organismo, algunas como los electrolitos desempeñan funciones importantes en el ser humano, por ejemplo, el sodio, el potasio, el calcio, el magnesio, el fosfato, el cloruro y el bicarbonato. A continuación describe las principales funciones que desempeñan en nuestro organismo las sales minerales: Grupo Editorial Patria® 17 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Los cuatro electrones que en el nivel energético externo tiene el carbono le permiten formar moléculas en forma de cadena lineal, ramificada y anillo. 1.4 Macromoléculas Muchas células contienen moléculas pequeñas de carbono que pueden unirse y formar moléculas grandes conocidas como macromoléculas. Las moléculas pequeñas se llaman monómeros que al unirse por enlaces covalentes en un proceso conocido como polimerización forman las macromolécu- las que también se llaman polímeros. Por tanto, las macromoléculas son polímeros formados por la repetición de unidades pequeñas que son los monómeros que pueden ser idénticas o similares. Los cuatro grupos de macromoléculas presentes en la célula viva son carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. CARBOHIDRATOS Los carbohidratos o hidratos de carbono son los azúcares, al- midones y celulosa. Están compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno, en la proporción de un átomo de carbono por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, su fórmula ge- neral es (CH2O)n. Los azúcares y el almidón son fuentes importantes de ener- gía para las células, en tanto que la celulosa participa en la composición de las paredes de las células vegetales. Los car- bohidratos pueden ser monosacáridos o azúcares simples, oli- gosacáridos, entre éstos los más comunes son los disacáridos, que son azúcares dobles compuestos de dos monosacáridos y los polisacáridos, que son polímeros formados de muchas moléculas de azúcar. Los monosacáridos (mono: uno, sákcharon: azúcar) son los azúcares formados por una sola unidad de carbohidrato, que participa en la formación de carbohidratos más complejos. Los monosacáridos más conocidos por su importancia son los que contienen cinco o seis átomos de carbono, llamados: CH2OH CHO OH OH OH OH OH H H H C C C C CH2OH CH2OH OH OH OH H H H C C C C Cadena lineal del monosacárido glucosa (C6H12O6) y de la fructosa (C6H12O6). 1.5 18 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Las pentosas que más se conocen son la ribosa y la desoxirribosa, la primera participa en la com- posición del ARN (ácido ribonucleico) y la segunda en el ADN (ácido desoxirribonucleico), que son moléculas que transmiten la información genética. pentosas y hexosas, respectivamente, casi todos sus carbonos tienen un grupo funcional hidroxilo (–OH) y un radical hidrógeno (–H), ejemplo de hexosas. Pero también los monosacáridos pueden adoptar la estructura cíclica. H HHOH H H H H H H H H H H H C CC CC C C C C C C C OO OH OH OH OH OH OH OH OH OH FructosaGlucosa H H H OCH2OH OH OH -2 desoxi -D- ribosa-D ribosa H H H H H OCH2OH OH OH OH H Estructura cíclica de la glucosa (C6H12O6) y la fructosa (C6H12O6). Ribosa y desoxirribosa. 1.6 1.7 La hexosa más importante es la glucosa (C6H12O6), que es la principal fuente de energía de los seres vivos, por ejemplo, durante la respiración celular es oxidada y liberada la energía útil en el trabajo celular. Los oligosacáridos (del griego oligos: pocos). Los más conocidos son los disacáridos, especialmente la sacarosa o azúcar de mesa, maltosa o azúcar de la malta y la lactosa o azúcar de la leche. Se llaman disacáridos porque están formados por dos moléculas de sacáridos unidos por enlace glucosídico. La Grupo Editorial Patria® 19 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA HO H CH2OH CH2OH OH FructosaGlucosa HH H CH2OH OH H OH H OHH OH OH H O H H H CH2OH CH2OH OH Sacarosa H CH2OH H OH H OHH OH OH HH2O Síntesis de la sacarosa por deshidratación de una molécula de glucosa y una fructosa. 1.8 sacarosa está formada por glucosa y fructosa, la maltosa por dos moléculas de glucosa y la lactosa por una de galactosa y una de glucosa. Para que la sacarosa pueda ser aprovechada por la célula primero debe ser separada en glucosa y fructosa, agregándole una molécula de agua, proceso denominado hidrólisis: Hidrólisis de la sacarosa. 1.9 C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 Sacarosa Agua Glucosa Fructosa Polisacáridos. Son macromoléculas formadas por muchos monosacáridos, por ejemplo: El almidón, formado por largas cadenas de glucosa, al hidrolizarse se convierte en una importante fuente de glucosa aprovechable en la nutrición. El almidón se almacena en muchos vegetales, como la papa, plátano, camote y cereales. El glucógeno, llamado a veces almidón animal, también está formado por numerosas moléculas de glucosa, se almacena en el hígado y los músculos, donde se descompone en glucosa. La celulosa también es un polímero de glucosa, funciona como elemento estructural en la célula vegetal, forma parte de la pared celular, llamada también cápsula de secreción brindándole sostén y protección. El ganado aprovecha la glucosa de la celulosa por medio de la acción de unos microorganismos que viven en su tubo digestivo y que tienen la capacidad de digerir la celulosa y convertirla en glucosa. También es importante este polisacárido como materia prima para la fabricación de papel. Evaluación formativa Escribe la palabra o palabras que complete en cada expresión. 1. Pentosa componente del ADN ________________________________________________________________ 2. Pentosa componente del ARN _________________________________________________________________ 3. La lactosa es el azúcar de ____________, se trata de un disacárido compuesto de ___________ y ________. 20 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Cuadro 1.1 Clasificación de los carbohidratos Carbohidratos C (H O)n 2 n Monosacáridos Disacáridos Polisacáridos Pentosas ribosa y desoxirribosaHexosas glucosa Sacarosas azúcar de mesa Maltosa azúcar de malta Lactosa azúcar de leche Almidón Glucógeno Celulosa LÍPIDOS Los lípidos forman un grupo de compuestos orgánicos, cuyas moléculas presentan múltiples caracterís- ticas en cuanto a su tamaño, forma y composición. Se distinguen más por su propiedad común de ser solubles en solventes orgánicos como el cloroformo, la gasolina, el alcohol, el éter y el benceno. Por su importancia biológica destacan sus funciones como moléculas estructurales de las células, fundamental- mente como componentes de los sistemas membranosos y de servir como medio de reserva energética. Entre los diversos grupos de lípidos se encuentran las grasas, los aceites, los esteroides, las ceras y los fosfolípidos. Triglicéridos. Las grasas y los aceites son compuestos formados por tres cadenas de ácidos grasos uni- das a los tres grupos hidroxilo (–OH) de la molécula de glicerol, por eso se les denomina triglicéridos y dado que la unión de cada ácido al hidroxilo es por enlace éster, también se le llama triéster. 4. Polisacárido que se almacena en cereales, papa, plátano y camote ______________. 5. Polisacárido identificado como almidón animal _____________, se almacena en el hígado, donde se descompone en _______________. 6. Polisacárido que forma parte de la pared de la célula vegetal_____________ y sirve como materia prima para la fabricación de _________________. Grupo Editorial Patria® 21 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Los ácidos grasos y las grasas que forman suelen clasificarse por su nivel de saturación, es decir, por la cantidad de hidrógeno que presentan sus largas cadenas de carbono; así cuando están formados por enlaces sencillos carbono-carbono, poseen el mayor número de hidrógeno en sus moléculas y se les llama grasas saturadas, como la grasa animal. En cambio, cuando presentan dobles enlaces entre pares de carbonos que hace que se reduzca el número de enlaces laterales de hidrógeno, se les deno- mina grasas insaturadas, como el aceite vegetal. Los triglicéridos funcionan como medios de almacenamiento de energía en el organismo. Fosfolípidos. Los fosfolípidos se asemejan a un triglicérido, la diferencia está en que en el fosfolípido el tercer ácido es sustituido por un grupo de fosfato que generalmente va unido a otras moléculas or- gánicas. A veces los fosfolípidos forman parte de los alimentos como lecitina, que está presente en la yema del huevo, otros se encuentran formando parte del tejido nervioso. Pero son más conocidos por su participación en la composición de los sistemas membranosos de las células, como la membrana plasmática que las envuelve y las estructuras membranosas localizadas en su interior. El extremo del fosfato es polar, es decir, que tiene carga eléctrica y le confiere la característica de ser hidrofílico (soluble en agua), en tanto que la mayor parte de la molécula es apolar, hidrofóbica (in- soluble en agua). De esta propiedad de los fosfolípidos depende la estructura y función de las capas polares y apolares de la membrana plasmática. Esteroides. Son estructuralmente diferentes a los triglicéridos y a los fosfolípidos, pero por su caracte- rística de ser insolubles en agua se incluyen en la clasificación de los lípidos. Están formados por cuatro anillos de carbono entrelazados, de los cuales tres tienen seis carbonos (ciclo hexano) y el cuarto, cinco (ciclo pentano). Tienen funciones diferentes, algunos son hormonas como el estrógeno, la progesterona y la corticoste- rona, pero quizá el esteroide que más se conoce es el colesterol, que participa en la composición de la membrana celular del tejido animal. El colesterol, por la acción de las radiaciones ultravioleta del Sol puede convertirse en vitamina D necesaria para el desarrollo y mantenimiento normal del sistema óseo, pero así como se reconoce su acción estructural y fisiológica también es necesario aclarar la causa por la que se le asocia con la enfermedad llamada aterosclerosis, que consiste en el endurecimiento de los H (CH2)16 (CH2)16 (CH2)16 H H H H H H H H H C C C CC C C C C C C C OH + H OH + H OH + H O O O O O O O O O O O O CH3 CH3 CH3 (CH2)16 (CH2)16 (CH2)16 CH3 CH3 CH3 H2O H2O H2O Síntesis de un triglicérido por la unión de tres ácidos grasos a una molécula de glicerol (enlace éster), por deshidratación. 1.10 22 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA vasos sanguíneos por la acumulación del colesterol en su pared interna, lo que hace que se reduzca su diámetro y aumente la presión sanguínea. De allí que muchos productos actualmente se anuncien con cantidades mínimas de colesterol. CH2 CH3 C1 2 CO O O O O O O-O CH2 CH CH2 CH2 CH2 P N+(CH3)3 COLINA FOSFATO GLICEROL Á OSARG ODI C ÁCIDO GRASO G ru po p ol ar (h id ro fíl ico ) de la ca be za Gr up o no p ol ar (h id ro fó bi co ) d e la co la Gr up o po la r (h id ro fíl ico ) Gr up o no p ol ar ( hi dr of ób ico ) Símbolo de fosfolípido CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 cabeza colas HO CH3 CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH CH3 HC Fosfolípido. Colesterol. 1.11 1.12 Grupo Editorial Patria® 23 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Cuadro 1.2 Clasificación de los lípidos Lípidos Fosfolípidos Forman parte del sistema membranal Triglicéridos Almacenan energía Esteroides Algunos son hormonas Evaluación formativa Después de leer el tema de lípidos contesta en forma breve lo siguiente: 1. ¿Qué relación hay entre los triglicéridos y el sobrepeso? ___________________________________________ 2. ¿Qué importancia tienen los fosfolípidos para la estructura celular? _________________________________ 3. ¿Qué relación hay entre el colesterol y la aterosclerosis? ___________________________________________ ¿Por qué si el colesterol es importante en la función estructural y fisiológica del organismo con frecuencia muchos productos alimenticios se anuncian “con bajo contenido de colesterol”? La fuente del colesterol son los alimentos de origen animal como la yema del huevo, la leche entera, la mantequilla, las “carnitas” de cerdo, el tocino y las salchichas. Sin embargo, todos hemos oído que hay un colesterol bueno y otro malo. ¿Cuál es la diferencia? Las moléculas de colesterol no se pueden disolver en la sangre y son transportadas por moléculas de lipoproteínas. Éstas contienen más proteínas que lípidos y se les llama lipoproteínas de alta densidad (HDL, high-density lipoproteins), que es el transportador de colesterol bueno; conduce el colesterol al hígado, donde se uti- liza para sintetizar bilis. En cambio, las lipoproteínas de baja densidad (LDL, low- density lipoproteins), con menor cantidad de proteínas y más lípidos, transportan el colesterol malo, que puede quedar depositado en las paredes arteriales, causa por la que se le asocia con la enfermedad llamada aterosclerosis, que consiste en el endurecimiento de los vasos sanguíneos por la acumulación del colesterol. Para tu reflexión 24 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA PROTEÍNAS El término proteína, derivada del griego proteios, que significa de primer orden o de primera línea, fue empleado por primera vez por el químico holandés Gerard Johannes Mulder (1802-1880) al reconocer la importancia biológica de este compuesto. Las proteínas desempeñan muchas funciones en la materia viva, entre las que destacan: su función estructural como componente de la mayor parte de la célula y su función biocatalizadora como enzima, es decir, como reguladora de las diversas reacciones químicas del metabolismo celular. El papel que desempeñan las enzimas es tan importante que existen reacciones que prácticamente no sería posible su realización sin la participación de ellas. Una proteína es una macromoléculaformada por polipéptidos, cada polipéptido es un polímero forma- do por una cadena de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Por tanto, los aminoácidos son las subunidades que forman a las proteínas. Un aminoácido está formado por el grupo amino: –NH y un grupo carboxilo –COOH. El enlace peptídico se forma cuando se desprende un –OH del grupo carboxilo del primer aminoácido y un H del grupo amino del siguiente, liberándose una molécula de agua. H H H H H H H H H H H CH3H H C C C C C C C C OO OO OH OH OH CH3 N N NN Glicina Glicilalanina Alanina Enlace peptídico Síntesis de un dipéptido. 1.13 Aminoácidos esenciales. En la composición de las proteínas participan 20 aminoácidos naturales, los cuales abundan especialmente en los alimentos de origen animal, como el huevo, la carne, el pescado, la leche y sus derivados. Existen vegetales que también son fuentes de algunos aminoácidos como la soya, el maíz, el frijol y el arroz. Aunque los alimentos no contengan los 20 aminoácidos, el organismo puede transformar un aminoácido en otro. Sin embargo, existen algunos que el organismo no puede sintetizar y se conocen como aminoácidos esenciales y que hay necesidad de recibirlos a través de la alimentación. Para los seres humanos adultos hay ocho aminoácidos esenciales: lisina, treonina, leucina, valina, isoleucina, metionina, triptófano y fenilalanina. Grupo Editorial Patria® 25 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Niveles de organización de las proteínas Por su configuración espacial las proteínas presentan cuatro estructuras: primaria, secundaria, tercia- ria y cuaternaria. • Estructura primaria. Es la forma lineal de los aminoácidos dentro de la proteína, una secuencia ordenada de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. La insulina es una proteína formada por dos polipéptidos, cada uno de estructura primaria. Sin embargo son muy pocas las proteínas que se encuentran en su estructura primaria, generalmente adoptan otra forma. • Estructura secundaria. Se forma de las disposiciones espaciales que adoptan partes de una cadena polipeptídica. Esta estructura puede ser: a) De hélice alfa (α), de forma de escalera de caracol, de un resorte estirado o una hélice. (Des- cubierta por Linus Pauling y colaboradores en 1951). Esta configuración la adquiere la cadena polipeptídica cuando se enrolla en forma de espiral, determinada por los puentes de hidrógeno, que son los que estabilizan a la espiral. Cada puente de hidrógeno se forma entre el oxígeno del grupo carboxilo CO de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino NH de otro. La hélice alfa es importante elemento estructural de algunas proteínas fibrosas como las componentes de uñas, lana, pelo. b) De tipo beta (β), cuando la cadena polipeptídica adquiere la configuración de una lámina plega- da. También se mantiene por puentes de hidrógeno entre las partes de una cadena que se ha enrollado sobre sí misma o entre cadenas diferentes. Tienen esta configuración la fibroína de la seda y parte central de muchas proteínas globulares. • Estructura terciaria. La adoptan algunas proteínas y es una conformación compleja, generalmente globular, que adquieren distintos tramos de la estructura secundaria de un polipéptido al replegarse sobre sí misma. Esta estructura se mantiene por puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro. Son proteínas globulares las enzimas y los anticuerpos (proteína que reconoce antígenos específicos en la defensa contra enfermedades). Algunas combinaciones de hélice alfa y láminas beta se compactan formando unidades funcionales estables llamadas dominios proteicos. El dominio es una región de la cadena polipeptídica que al plegarse sobre sí misma forma la unidad compacta en la que se subdivide la estructura terciaria. Las principales fuentes de proteínas completas (las que contienen todos los ami- noácidos para la nutrición humana) se encuentran en la carne, leche, huevo y pescado. Sin embargo, hay productos vegetales que son ricos en proteínas como la soja o soya y el maíz. El frijol es una importante fuente de isoleucina y lisina, en tanto que el arroz, aun- que es deficiente en isoleucina y lisina, contiene los demás aminoácidos esencia- les. Por eso, al combinar arroz y frijol en la dieta, como tradicionalmente se hace en la cocina mexicana, resulta un importante suministro de proteínas al organismo. Para tu reflexión 26 1 BIOQUÍMICATEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA Las proteínas globulares muy grandes suelen presentar varios dominios, que se encuentran inter- conectados a través de fragmentos polipeptídicos de longitud variable. En ocasiones los diferentes dominios de una proteína realizan funciones distintas. • Estructura cuaternaria. Se forma cuando dos o más cadenas polipeptídicas interactúan formando una proteína gigantesca, como la hemoglobina, que es la encargada de transportar el oxígeno de la sangre y que está formada de cuatro polipéptidos. Cuadro 1.3 Niveles de organización de las proteínas Estructura Características Ejemplo Esquema Primaria Los aminoácidos se encuentran en forma lineal Cadena polipeptídica sencilla Secundaria En forma de hélice o lámina plegada (proteínas fibrosas) La queratina, componente del pelo, uñas y piel Terciaria La cadena en forma de hélice se enrolla sobre sí misma y generalmente adquiere la configuración globular Hormonas Anticuerpos Enzimas Cuaternaria Dos o más cadenas polipeptídicas se unen y forman una proteína gigantesca Hemoglobina Desnaturalización de las proteínas La configuración tridimensional específica que adoptan las proteínas es de mucha importancia para su funcionamiento. Sin embargo, agentes físicos y químicos, como el calor, el pH y otros, pueden originar que la cadena pierda su patrón característico de plegamiento al romperse los enlaces de hidrógeno que estabilizan su estructura tridimensional, lo que la deformaría y haría perder su actividad biológica. A estos cambios se les llama desnaturalización de las proteínas. Clasificación de las proteínas Las proteínas se dividen en dos grandes grupos: • Holoproteínas o proteínas simples, compuestas únicamente por aminoácidos. Grupo Editorial Patria® 27 1BIOQUÍMICA TEMAS DE BIOLOGÍA CONTEMPORÁNEA • Heteroproteínas o proteínas conjugadas, que además de aminoácidos contienen otra molécula no proteica llamada grupo prostético. Holoproteínas o proteínas simples a) Con estructura fibrosa El colágeno, que es componente de los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo. La elastina, que se encuentra en tendones y arterias. Las queratinas, que son componentes de uñas, pelos, lana, plumas. Las fibroínas, que forman los hilos de los gusanos de seda. b) Con estructura globular Gluteínas, presentes en granos de cereales como trigo, cebada y arroz. Albúminas, que se encuentran en la clara del huevo, en la leche, en el plasma sanguíneo. Globulinas. Algunas constituyen anticuerpos, otras forman parte del huevo y la leche. Histonas, que están relacionadas con el ADN al ser componentes de la cromatina. Heteroproteínas o proteínas conjugadas son aquellas que además de aminoácidos contienen otros componentes llamados grupos prostéticos. Son ejemplos de proteínas conjugadas: Las cromoproteínas, cuya característica principal es la de poseer color. Las más conocidas son las hemoglobinas, cuyas subunidades poseen el grupo prostético hemo, que contiene átomos de hierro y que se encuentra unido a la globina, que es la parte proteínica de la molécula. Las glucoproteínas son proteínas que contienen carbohidratos, como las que se encuentran en el plas- ma sanguíneo, en las enzimas, hormonas y en las membranas plasmáticas. Las lipoproteínas, que contienen lípidos. Estas proteínas conjugadas también se encuentran formando parte del plasma sanguíneo y de las membranas celulares. Las nucleoproteínas, las cuales contienen ácidos nucleicos, presentes
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