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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL SECRETARIA ACADEMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR CENTRO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS Y TECNOLÓGICOS No. 5 “BENITO JUÁREZ” GUÍA DE ESTUDIO DE LA UNIDAD DE APRENDISAJE DE BIOLOGÍA BÁSICA NIIVEL MEDIO SUPERIOR Desarrollada de acuerdo al programa de estudios vigente para los Centros de Estudios Científicos y Tecnológicos del Instituto Politécnico Nacional. Dra. María Verónica López Valencia Ciudad de México 2018 (Todas las imágenes utilizadas fueron tomadas de internet exclusivamente como apoyo a la enseñanza de la biología) JUNIO 2018 2 DE ACUERDO AL PROGRAMA DE BIOLOGÍA BÁSICA COMPETENCIA GENERAL: Aplica los principios básicos de la biología, vinculados con los avances científicos y biotecnológicos, para prevenir y resolver problemas biológicos en diferentes contextos, con una actitud crítica y reflexiva. UNIDAD DIDÁCTICA No. 1: LA UNIDAD DE LOS SERES VIVOS Competencia Particular: Explica a la célula como la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos, a partir del análisis de su importancia en el desarrollo científico, tecnológico y social. De acuerdo a la competencia particular, los alumnos deberán entender el concepto de célula como la unidad estructural y funcional que forma a los seres vivos. Además de analizar la importancia que tiene en el desarrollo científico, tecnológico y social. RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP1): Deberá integrar los antecedentes de la biología que le permitirán identificarla como una ciencia. Contenido de aprendizaje. I. La biología como ciencia II. Métodos de estudio de la biología III. Antecedentes sobre el origen de la vida IV. Teoría Celular I. LA BIOLOGÍA COMO CIENCIA La biología es la ciencia que conocemos como la responsable de estudiar a todos los organismos cuyas características les permiten identificarse como seres vivos. La palabra está formada por dos vocablos griegos: bios cuya traducción es vida y logos que significa estudio (“estudio de la vida). La biología por lo tanto es una disciplina perteneciente a las llamadas Ciencias Naturales, tiene como principal objetivo el estudio del origen y evolución de todas las características que presentan los organismos vivos. Analiza de manera dinámica, funcional y estructural a todos los seres vivos para tratar de explicar y establecer los criterios naturales que de alguna manera rigen la vida en el planeta. La biología como ciencia engloba una gran variedad de áreas de estudio, las cuáles en ocasiones son consideradas como disciplinas independientes; sin embargo, siguen siendo parte integral de la biología, a estas áreas o campos de estudio se les denomina ramas de la biología. 3 Si la biología es una ciencia, entonces se debe definir lo que es una ciencia: “Ciencia es el conjunto de conocimientos obtenidos a través de la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales”. II. MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA La ciencia se apoya para su desarrollo y estructuración de una serie de métodos para poder obtener y organizar conocimientos sobre fenómenos, eventos o hechos naturales que tengan objetividad, que puedan ser analizados y de fácil acceso para cualquier observador. La ciencia también puede ser considerada “como el conjunto de conocimientos que a través de sus investigaciones los científicos han acumulado en el transcurso del tiempo utilizando el método científico”. Algo muy importante que se debe mencionar es que la ciencia no es algo inmutable que nunca cambia, por el contrario, la ciencia siempre será un mecanismo a partir del cual se obtiene conocimiento en un proceso continuo, que obliga a los investigadores a preguntar, observar, hacer o plantear hipótesis (plantear un problema). El método científico está formado por una serie de pasos bien definidos, relacionados unos con otros que permiten llevar a cabo la investigación de manera ordenada y sistemática, por lo que el método científico es entonces la herramienta principal que utilizan los investigadores para llevar a cabo su labor, con la idea de entender la naturaleza y dar explicaciones a los sucesos que en ella se llevan a cabo, además de utilizar esas explicaciones para realizar predicciones sobre eventos parecidos. LA BIOLOGÍA COMO CIENCIA MULTIDISCIPLINARIA E INTERDISCIPLINARIA Debido a la enorme diversidad biológica que existe, a las características particulares de cada especie, a la variabilidad genética, a la estructura y función de los diversos tipos de células, etc., el estudio de los organismos vivos no sería posible si la biología no se dividiera en numerosas ramas o campos de estudio como la zoología, la botánica, la bioquímica, la paleontología, la ecología, entre muchas otras ramas; y no se ayudara de otras ciencias como la química, la física, las matemáticas, etc. Estas ramas y ciencias, han permitido que el conocimiento que se tiene actualmente sobre los organismos vivos sea el resultado de un proceso de investigación científica fundamentado en bases sólidas, objetivas, verificables y dinámicas que hacen de estos conocimientos el legado más importante del quehacer científico. 4 Imágenes tomadas de internet RESUELVE: ¿Cuál es el objetivo de la ciencia? ¿Por qué se dice que un enfoque para resolver un problema es científico? a) El Método Científico El pensamiento o método científico generalmente da comienzo con la observación, que es el mecanismo por medio del cual se obtiene la información sobre sucesos o procedimientos; frecuentemente se utilizan los sentidos como el oído y la vista para llevarla a cabo. La información obtenida de manera cuidadosa debe además ser ordenada y a esta información obtenida de la observación son los datos iniciales de la investigación. Los investigadores pueden utilizar los datos obtenidos para llevar a cabo interpretaciones lógicas de algunos fenómenos utilizando además conocimientos previamente desarrollados (inferencia). A partir de esto podemos decir que los 5 científicos intentan explicar los fenómenos naturales utilizando e interpretando la evidencia obtenida de una manera lógica y analítica. Un ejemplo de esto sería el desarrollo de una epidemia en una población, población que en un momento determinado se encontraba en el mismo sitio a la misma hora (un acto público). Los investigadores especialistas en salud pública deberán utilizar mecanismos científicos (método científico) para determinar cómo enfermaron dichas personas. Después de llevar a cabo observaciones y obtener datos, plantearán las posibles causas del contagio, esto es plantearán una hipótesis. La hipótesis es pues una explicación científicamente posible para las observaciones realizadas con anterioridad, esta también puede ser generada utilizando conocimientos previamente obtenidos. Cuando se propone una hipótesis científica, esta debe ser pensada en el entendido de que se pueda comprobar, para lograrlo los investigadores pueden llevan a cabo una serie de experimentos, aunque en ocasiones algunas hipótesis pueden comprobarse reuniendo numerosos datos. Sin embargo suele suceder que las hipótesis propuestas no necesariamente son comprobadas, en estas situaciones son planteadas nuevas hipótesis. Para llevar a cabo pues la comprobación de las hipótesis propuestas es necesario diseñar la fase experimental, esto es diseñar una serie de experimentos que permitan obtener resultados que apoyen dichas hipótesis. Los resultados obtenidos deben registrarse para poder llevar a cabo un análisis de los mismos para poder llegar a una conclusión. Cuando se presentan o trabajan situaciones complejas, los investigadores suelen trabajar en equipos o grupos de colaboración. Finalmente cabe decir que para que sea válida una conclusión obtenida a partir del trabajode investigación realizado sobre una hipótesis planteada, los investigadores deben revisar, analizar, y evaluar los datos obtenidos sobre dicha hipótesis, por lo que esta debe estar basada en la interpretación lógica de datos obtenidos de manera real o fidedigna a partir de dichas investigaciones. Así pues el conocimiento científico debe incluir la opinión de numerosos investigadores, pero además debe tomar en cuenta que todo lo que existe es un sistema que interactúa donde los procesos o fenómenos naturales están interrelacionados, donde hay leyes naturales básicas que los rigen. Algo muy importante de mencionar es que un buen científico debe ser desconfiado, escéptico, esto quiere decir que debe cuestionar todo aquello que este relacionado con el trabajo que realiza; las ideas existentes, los conocimientos previos, las nuevas hipótesis y aquellas previamente planteadas. Deben estar siempre con la mente abierta para aceptar nuevos cuestionamientos, nuevas hipótesis, nuevos conocimientos, pero también para rechazar o criticar a los mismos, además de evaluar los puntos a favor y en contra (fuertes y débiles) de las hipótesis. 6 Cabe mencionar que gracias al desarrollo de herramientas, técnicas novedosas y evidentemente a los descubrimientos, la investigación ha dejado una profunda huella en el pensamiento científico. Un ejemplo de esto es el descubrimiento de la célula, lo cual revolucionó el conocimiento sobre la estructura de los organismos vivos. RESUELVE: ¿Cómo se desarrolla una hipótesis? ¿Cómo deciden los investigadores si aceptan o rechazan una hipótesis? ¿Por qué los científicos son escépticos? ¿Cuáles son los pasos del método científico? b) Conocimiento y uso del microscopio Es evidente que sin los equipos e instrumentos desarrollados para apoyar la investigación científica, esta no habría podido avanzar tanto como lo ha hecho en los últimos siglos. Con la invención del microscopio, se abrió una nueva era en el estudio de los organismos vivos; principalmente en el descubrimiento y estudio de la célula. Los primeros observadores de organismos microscópicos contaron con la ayuda de microscopios rudimentarios, entre estos observadores se pueden mencionar a Robert Hooke y Anton van Leeuwenhoek (siglo XVII – 1665). Hooke observó bajo el microscopio un fragmento de corcho; debido al parecido que tenían las estructuras que observó con pequeñas celdas, llamó a estas estructuras células. Por otro lado, Leeuwenhoek observó muestras de agua de diversas procedencias (charcos, floreros, estanques, etc.) en las que encontró diminutos organismos vivos que se movían rápidamente. Le asombró la enorme cantidad de organismos que se podían observar en una sola gota de agua. Imagen tomada de internet Desde entonces y hasta nuestros días, numerosos biólogos se han apoyado en el uso del microscopio para llevar a cabo sus investigaciones; el conocimiento actual sobre la célula, es el resultado de la exploración a través de la lente de microscopios cada día más modernos y 7 sofisticados (confocal, fluorescente, electrónico, transmisión, etc.), así como de métodos y técnicas innovadoras y de alta resolución (fluorescencia, tinciones, marcado, etiquetado, etc.) que contribuyen en el procesamiento de las muestras celulares que se desean investigar. Desde esta perspectiva, el uso del microscopio y de otras tecnologías, ha permitido el desarrollo de novedosas formas de estudiar a las células, generando conocimientos científicos ligados a una nueva forma de hacer investigación. Microscopio óptico (compuesto) Imagen tomada de internet Si tomamos en cuenta que para poder estudiar todo lo que la biología engloba, es necesario que ésta se divida en numerosas disciplinas o ramas, disciplinas que pueden en su momento tomarse como ciencias, entonces la biología junto con sus ramas o disciplinas forma el conjunto de ciencias denominadas “Ciencias Biológicas”, debido a que los organismos vivos pueden y son estudiados desde muy diversos enfoques. Por ejemplo la biología molecular y la bioquímica estudian la vida a partir de las moléculas, mientras que la biología celular o citología lo hacen a partir de las células. La anatomía, la histología y la fisiología realizan el estudio desde un aspecto pluricelular. Además se incluyen otras como la morfología, la fisiología, la microbiología, la genética, botánica, zoología, la taxonomía y muchas disciplinas más. Sin embargo la biología no solamente se apoya en sus propias ciencias, también se apoya en muchas otras ciencias auxiliares como son las matemáticas, la física, la geología, la química, la medicina, la ingeniería, etc. Esto hace de la biología una ciencia interdisciplinaria. 8 RESUELVE: ¿Por qué la biología es una ciencia interdisciplinaria? ¿Cuáles son las ciencias auxiliares de la biología? ¿Cuáles son algunas de las disciplinas o ramas de la biología? ¿Cuáles son sus áreas de estudio? -Investiga más al respecto III. ANTECEDENTES SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA Las ideas de la gente sobre cuál fue el origen de algunos organismos ha cambiado considerablemente desde hace varios siglos. En el año 300 antes de Cristo, se tenía un concepto completamente diferente sobre lo que era la tierra y como lógica consecuencia sobre los organismos vivos; en ese tiempo el filósofo y observador griego Aristóteles llevó a cabo incontables observaciones de todo aquello que lo rodeaba, esto es del mundo natural. Lo que él quería era darles una explicación partiendo de un razonamiento lógico. Entonces y mucho después de su muerte, las personas tenían la idea de que los organismos vivos obedecían a una serie de reglas diferentes a las que regían a los seres no vivos. Consideraban que había fuerzas “vitales” que daban origen a organismos vivos a partir de materia inanimada. Es evidente que muchas personas no creían en estas explicaciones y comenzaron a cuestionarse sobre dichas ideas. Entonces ¿Cómo comenzó la vida en la tierra? Aunque existen pocas evidencias del cómo surgió la vida en la tierra, se han presentado diferentes hipótesis sobre la perspectiva científica de lo que podría haber sucedido para dar inicio a la tierra. No obstante estas hipótesis están basadas en muy pocas evidencias debido a la falta de información sobre lo ocurrido. Sin embargo no se debe descartar un posible cambio de ideas sobre este tema en un futuro. Geológicamente la formación del sistema solar y por lo tanto de la tierra, está datada hace aproximadamente 4600 millones de años, los indicios muestran que no surgió de la nada sencillamente. Es probable que surgiera a partir de la aglomeración de residuos o fragmentos cósmicos durante cuando menos 100 millones de años. Aparentemente la tierra chocó con numerosos objetos cósmicos de diversos tamaños en sus primeros años de vida, provocando un calentamiento extremo que la fundió por completo. Los elementos que formaban se acomodaron 9 en el globo de acuerdo a sus características siendo los más densos los que formaron el centro o núcleo terrestre; la desintegración radiactiva generada provocó suficiente calor para convertir el interior de la tierra en roca fundida. Los elementos moderadamente densos subieron a la superficie, estos se enfriaron poco a poco formando una corteza sólida. Aquellos elementos menos densos como el hidrógeno y el nitrógeno formaron la primera atmósfera. ¿Qué contenía la primera atmósfera de la tierra? ¿Por qué no había océanos en la tierra primitiva? Probablemente la atmósfera primitiva de la tierra (4000 millones de años) contenía cianuro de hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno y agua; esta evidentemente era una atmósfera venenosa, casi no había oxígeno, y además era muchísimo más caliente de lo que es actualmente. La corteza terrestrepor su parte estaba constantemente afectada por la actividad volcánica en ese momento, además de la incidencia o bombardeo continuo de cuerpos celestes como asteroides y cometas. Esto provocó que la tierra en su conjunto fuera extremadamente caliente lo que evitaba la condensación del agua. Se piensa que hace aproximadamente 3800 millones de años, la temperatura de la superficie terrestre bajó al nivel en que el agua permanece líquida, de tal manera que las tormentas inundaron el planeta formando los primeros océanos. ¿Cómo se formaron las primeras moléculas orgánicas? En 1950 dos investigadores estadounidenses, los químicos Stanley Miller y Harold Urey propusieron una serie de experimentos de laboratorio para tratar de imitar las condiciones atmosféricas de la tierra primitiva y comprobar si era posible que bajo estas circunstancias se pudiera sintetizar algún tipo de molécula orgánica. Como sabemos la tierra primitiva era un entorno completamente diferente de lo que conocemos actualmente, no había oxígeno lo que permitía que los átomos se ensamblaran adecuadamente sin que se llevaran a cabo reacciones de oxidación (debido a que el oxígeno es muy reactivo) que destruyeran las recién formadas moléculas. Retomando a Miller y Urey, diremos que sus experimentos consistieron en llenar un matraz con hidrógeno, metano, amoniaco y agua para simular la atmósfera primitiva - evidentemente tuvieron precauciones extremas para que los experimentos no se contaminaran con ningún tipo de microorganismo –. El paso principal de este experimento fue hacer pasar chispas eléctricas por las mezclas para simular los rayos que en la tierra primitiva habían, en unos cuantos días comenzaron a aparecer las primeras moléculas orgánica que caracterizaron como aminoácidos que son los principales componentes de las proteínas – estos experimentos sugirieron cómo podrían haber surgido las primeras mezclas de los primeros compuestos orgánicos necesarios para la vida a partir de compuestos simples presentes en la tierra primitiva -. 10 Sus resultados aunque no fueron exactos, sorprendieron de manera espectacular a la comunidad científica. En 1995, se llevaron a cabo nuevamente estos experimentos y el resultado fue aún mejor, se obtuvieron entre otras moléculas citosina y uracilo, dos de las bases que forman parte del ARN. Queda claro que las moléculas orgánicas por si mismas distan mucho de ser organismos vivos y es precisamente el paso entre lo vivo y lo no vivo que aún queda por resolver. La evidencia geológica permite sugerir que aproximadamente entre 200 y 300 millones de años después de que la tierra se enfrió lo suficiente para que el agua líquida pudiera acumularse, comenzaron a aparecer y proliferar las primeras estructuras parecidas a las bacterias modernas. Sin embargo ¿de dónde surgieron estas primeras estructuras? Se sabe que bajo ciertas condiciones las moléculas orgánicas de gran tamaño pueden formar estructuras con forma de burbuja o esfera denominadas microesferas protenoides, estas no son células, sin embargo tienen algunas características de los sistemas vivos. Por ejemplo, presentan una especie de membrana selectivamente permeable que las moléculas de agua pueden atravesar; también presentan un mecanismo muy sencillo para almacenar y liberar energía. Este tipo de estructuras pudieron haber sido las primeras en desarrollarse y paulatinamente adquirir características que poco a poco las transformaron en las primeras células. No obstante de que el origen de la vida sigue siendo un misterio, a este se suma otro también sorprendente; el origen y evolución del material genético (ARN y ADN). Como sabemos todas las células poseen un acervo de material genético guardado en el ADN, que tienen como función controlar las funciones de las mismas. La información contenida en el ADN sirve para ser transcrita como una copia de ARN, información que después será traducida o transformada en proteínas. ¿Cómo es que evolucionó la maquinaria bioquímica requerida para llevar a cabo estos procesos? Este misterio sigue siendo eso un misterio, y aunque los investigadores dedicados a su estudio (biólogos moleculares) trabajan para encontrar una respuesta, todavía no se encuentra. Sin embargo han realizado descubrimientos sorprendentes, como conseguir replicar algunas secuencias de ARN para formar ADN. Experimentos llevados a cabo actualmente simulando las condiciones de la tierra primitiva, como los realizados por Miller, han permitido sugerir que secuencias pequeñas de ARN pudieron haberse formado y replicado por sí solas, lo cual sugiere que probablemente el ARN pudo haberse sintetizado antes que el ADN. A partir de esta forma de vida relativamente simple, es posible que con el transcurso del tiempo una serie de eventos pudieran desarrollarse evolutivamente, dando como resultado final la síntesis de proteínas que actualmente rige a las células. 11 Gracias a los numerosos estudios paleontológicos realizados, se han encontrado microorganismos unicelulares cuyas características las hacen muy semejantes a las bacterias actuales. Sin embargo la edad geológica de las rocas en las cuales se encontraron, está determinada hacia unos 3500 millones de años de antigüedad; estos organismos evolucionaron en una atmósfera con un contenido muy bajo de oxígeno (atmósfera anóxica). Sin embargo con el transcurso del tiempo, fueron evolucionando microorganismos que tuvieron la capacidad de fotosintetizar bajo las aguas someras del periodo Precámbrico hace aproximadamente 2200 millones de años. Esto dio como resultado la acumulación paulatina pero constante de oxígeno. El oxígeno presente en la atmósfera se combinó con el hierro presente en las aguas y lo precipitó (oxidación de los mares), lo que ocasionó que el mar perdiera su color pardo y se transformara en un mar azul-verde. Una atmósfera conteniendo oxígeno en forma de gas, permitió que los niveles de metano y sulfuro de hidrógeno presentes disminuyeran y empezara a formarse la capa de ozono, el cielo entonces adquirió el color azul que presenta y los niveles de oxígeno se incrementaron hasta alcanzar los niveles actuales. Evento que afecto de manera crucial a los primeros organismos, ya que la mayoría de ellos eran anaerobios; muchas formas de vida se extinguieron, pero muchas otras sobrevivieron y se desarrollaron evolucionando en ellas vías metabólicas mucho más eficientes que empezaron a utilizar el oxígeno en sus mecanismos metabólicos recién desarrollados, dando paso a la aparición de la vida moderna. Imagen tomada de internet Actualmente todavía existen microorganismos que no toleran el oxígeno, pero viven restringidos a cierto tipo de hábitats. 12 RESUELVE: ¿Qué mecanismo evolutivo dio origen a la acumulación de oxígeno en la atmósfera? ¿Cuál fue la importancia de los experimentos realizados por Miller y Urey? ¿Cómo surgieron las primeras estructuras vivas? IV. TEORÍA CELULAR La acumulación de O2 en el aire, propicio que algunas formas de vida se extinguieran mientras que otras surgidas a partir de organismos fotosintetizadores, desarrollaron vías metabólicas más eficientes que utilizaban para respirar y generar energía. Estos eventos dieron lugar a la formación de los primeros organismos vivos unicelulares conocidos como células procariotas u organismos procariontes, que posteriormente evolucionaron para formar células más complejas denominadas células eucariotas u organismos eucariontes. DIFERENCIAS BÁSICAS ENTRE CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Tamaño Membrana celular Núcleo Material genético Procariota Menor a 10 micras Sencilla No poseen Libre en el citoplasma Eucariota Mayor a 10 micras Doble capa de lípidos Bien definido Resguardad en el núcleo Elaboración propia Con la invención delmicroscopio en el siglo XVII, se revoluciona el estudio y observación de los organismo unicelulares. En 1665, Robert Hooke observa por primera vez un objeto bajo el lente del primer microscopio; observó un fragmento de corcho, que describió como una estructura formada por pequeñas celdas parecidas a las que construían las abejas en sus colmenas, de ahí 13 que las llamara células. En 1674 Anton van Leeuwenhoek, observó bajo el microscopio gotas de agua en las que vio diminutas estructuras que se movían. A partir de ese momento, muchos naturalistas comienzan a observar y estudiar todo tipo de muestras en las que pudieran encontrar microorganismos. En 1838 Matthias Shleiden postula que todas las plantas están constituidas por células; posteriormente, en 1839 Theodor Schwann deduce a partir de sus observaciones en animales que estos también están constituidos por células. Finalmente en 1855, Rudolph Virchow propone que solamente podían formarse nuevas células a partir de otras ya existentes. Estos hallazgos y sus posteriores postulados, darían lugar a lo que se conoce como la teoría celular que está constituida por tres postulados básicos: 1) Todos los seres vivos están constituidos por células. 2) Las células son las unidades estructurales y funcionales de los organismos vivos. 3) Solamente una célula puede dar origen a otra célula (se producen nuevas células a partir de otras ya existentes). Después de estos periodos, muchos investigadores han continuado el estudio de las células y por ende de los organismos vivos. En 1931, Janet Plowe demuestra que la membrana celular es una estructura física bien definida. Para 1970, Lynn Margulis propone que cierto tipo de organelos como las mitocondrias y los cloroplastos, fueron en algún momento células procariotas que fueron envueltas o engullidas (comidas) por otras células procariotas mismas que posteriormente se transformaron en células eucariontes. 14 Imágenes tomadas de internet Después de haber analizado como es que surgen los primeros organismos vivos, es importante mencionar algunos aspectos que los caracteriza. a) Todos los seres vivos se nutren. b) Todos los seres vivos se reproducen. c) Todos los seres vivos requieren de energía. d) Todos los seres vivos crecen y se desarrollan. e) Todos los seres vivos poseen un código genético. f) Todos los seres vivos están constituidos por células. g) Todos los seres vivos responden a estímulos ambientales. h) Todos los seres vivos se transforman a los largo del tiempo. i) Todos los seres vivos llevan a cabo procesos homeostáticos. RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP2): Reconoce la estructura y función celular, para comprender las características de todo ser vivo. Contenidos de aprendizaje I. Clasificación de las células. II. Composición química de las células. III. Estructuras celulares y su función. I. CLASIFICACIÓN DE LAS CÉLULAS De manera general, las células poseen diversas formas y tamaños; pero además, también presentan variaciones en su composición, función y estructura. En relación con el tamaño, existen células que pueden llegar a medir hasta 0.2 micrómetros esto quiere decir que son células, como por ejemplo cierto tipo de bacterias (micoplasma). Sin embargo, existen otras células cuyo tamaño puede estar entre los 5 y los 1000 micrómetros (ej. amiba gigante Chaos chaos). 15 A pesar de estas y otras diferencias, las células comparten cuando menos dos características en común; la primera, es que están constituidas por una estructura denominada membrana celular que sirve entre otras cosas, como barrera protectora y mecanismo de intercambio entre los medios interno y el externo de la célula; la segunda, es que contienen material genético (ADN), cuando menos en alguna etapa de su vida. Debido a sus características particulares, las células se dividen en dos principales grupos, dependiendo de la presencia o ausencia de una estructura nuclear bien definida en el interior dela célula. a) Células procariotas: de manera general son de tamaño más pequeño, y de estructura más sencilla en relación con las células eucariotas (aunque existen excepciones). No presentan un núcleo, por lo que su material genético está disperso en el citoplasma y tampoco presentan estructuras membranosas internas. Sin embargo, su sencillez o simplicidad no les impide llevar a cabo todas las funciones que realizan los organismos vivos: crecer, reproducirse, nutrirse, responder a los estímulos ambientales, etc. Imagen tomada de internet b) Células eucariotas: por su parte estas células, son más grandes y complejas que las primeras; en su interior presentan numerosas estructuras membranosas algunas sumamente especializadas, denominadas organelos celulares. Dentro de estas estructuras se encuentra el núcleo, estructura en la cual se encuentra resguardado el material genético. Una característica importante de este tipo de células, es que muchas viven como organismos unicelulares; mientras que en otros casos, pueden forman organismos complejos y de gran tamaño. 16 Imagen tomada de internet Las células eucariotas se dividen a su vez en: i) Células animales: poseen una gran cantidad de organelos celulares, por ejemplo: membrana celular, núcleo, retículo endoplásmico: rugoso y liso, mitocondrias, ribosomas, etc. ii) Células vegetales: a diferencia de la célula animal, este tipo de célula posee además de las estructuras presentes en la primera (excepto centriolos), otras que son exclusivas de estas: cloroplasto, pared celular y vacuolas. Imagen tomada de internet II. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CÉLULA La célula está constituida principalmente por 5 importantes macromoléculas químicas; estas también son llamadas biomoléculas y son a saber: carbohidratos, lípidos, aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. Las macromoléculas se forman por polimerización o unión de compuestos más pequeños llamados (monómeros), para formar otros mucho más grandes denominados polímeros; los monómeros pueden ser iguales (idénticos), o diferentes. 17 a) Carbohidratos: moléculas compuestas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Son moléculas que pueden ser pequeñas como los monosacáridos (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, etc.), o de gran tamaño como los polisacáridos (almidón, celulosa, glucógeno, etc.). Los carbohidratos forman parte importante de la membrana celular, al unirse a proteínas para formar glucoproteínas, a los lípidos para formar glucolípidos, o en forma de otros compuestos como el colesterol. Imágenes tomadas de internet b) Lípidos: son moléculas hidrocarbonadas de cadena larga; en general no son solubles en agua, pero sí lo son en solventes orgánicos como el éter, cloroformo y el metanol, entre otros. Entre sus múltiples e importantes funciones están: formar parte de la estructura de la membrana celular, almacenar energía y ser precursores de numerosos compuestos como las hormonas, los esteroides y el colesterol. Gran cantidad de lípidos se forman cuando una molécula de glicerol se une a compuestos denominados ácidos grasos; los lípidos más simples y abundantes son las grasas neutras o triglicéridos y los aceites. Imágenes tomadas de internet c) Proteínas: constituyen la clase más compleja y variada de las moléculas que presentan los organismos vivos; están constituidas por carbono, hidrógeno, oxígeno, además de nitrógeno. Las proteínas son polímeros formados por aminoácidos; los aminoácidos, con compuestos que en su estructura presentan un grupo amino (-NH2) en uno de sus 18 extremos, y un grupo carboxilo (-COOH) en el otro. Las proteínas son moléculas muy complejas y debido a esta complejidad estructural se pueden clasificar en: primarias, cuando los aminoácidos formar una secuencia o cadena; secundaria, cuando los aminoácidosse doblan o tuercen; terciaria, cuando la cadena de aminoácidos se dobla en sí misma; y cuaternaria, cuando la estructura presenta más de dos cadenas. Entre las numerosas funciones que poseen las proteínas están: transporte, estructural, actividad enzimática, etc. Imagen tomada de internet d) Aminoácidos: son ácidos carboxílicos que poseen un grupo amino en el lado izquierdo del carbón alfa que es el grupo adyacente al grupo carboxilo ubicado del lado derecho. Existen 20 aminoácidos básicos, con los cuales se forman todas las proteínas. Imagen tomada de internet e) Ácidos nucleicos: Están constituidos por unidades individuales llamadas nucleótidos; los nucleótidos son moléculas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo, y constan de tres partes: un azúcar de 5 carbonos, un grupo fosfato y una base 19 nitrogenada. Los nucleótidos individuales pueden estar unidos mediante enlaces covalentes para formar polinucleótidos llamados ácidos nucleicos. Los ácidos nucleicos, almacenan y transmiten la información hereditaria (genética) y son de dos tipos: ADN y ARN. Imagen tomada de internet Como se ha visto, los organismos vivos están constituidos por diferentes tipos de moléculas químicas, unas de mayor complejidad que otras. Estas moléculas están involucradas en numerosos eventos metabólicos, mismos que le permiten a la célula llevar a cabo todas sus funciones vitales. III. ESTRUCTURAS CELULARES Y SU FUNCIÓN Considerando el número y complejidad de las funciones que llevan a cabo las células eucariotas, para entender su complejo funcionamiento éstas pueden compararse con una empresa o fábrica, la cual está dividida en secciones o departamentos que cumplen una función específica y que en conjunto permiten que la empresa trabaje como una unidad. En la célula, los organelos que la constituyen llevan a cabo las funciones que las áreas o departamentos dentro de la empresa realizan; estos organelos, también tienen funciones específicas y permiten a la célula llevar a cabo sus procesos fisiológicos de una forma coordinada y eficiente. Es importante conocer tanto la estructura como la función de los diferentes organelos celulares; de esta forma, comprenderemos su importancia dentro de la célula. ORGANELO ESTRUCTURA FUNCIÓN 1. Núcleo a) Nucleolo Está rodeado de una envoltura formada por una doble membrana (membrana nuclear), que posee una - Resguarda casi todo el material genético (ADN) presente en la célula. a) Lugar donde se inicia la 20 gran cantidad de poros (poros nucleares). a) Región densa dentro del núcleo construcción de ribosomas. 2. Ribosomas - Formados por partículas de ARN y proteínas. - Se localizan dispersos en el citoplasma y adheridos al Retículo endoplásmico rugoso. - Se encarga de la síntesis de proteínas. 3.Retículo endoplásmico: -Rugoso: (RER) presenta ribosomas en su superficie. -Liso: (REL) no presenta ribosomas. -Sistema interno constituido por membranas. - RER: Participa en la síntesis de proteínas. -REL: participa en la síntesis de lípidos y desintoxicación de medicamentos. 4. Aparato de Golgi - Estructura interna constituida por membranas en forma de manguera de bomberos plegada sobre sí misma. - Se localiza por debajo del RE. - Se ocupa de modificar (madurar), separar, empaquetar, almacenar y transportar proteínas y otras sustancias al exterior de la célula. 21 5. Mitocondria - Constituidas por dos membranas: una interna plegada y externa que recubre la recubre. - Se encarga de generar energía en forma de ATP, a partir de otras moléculas como la glucosa. 6. Cloroplasto - Solo están presentes en las células vegetales. - Igual que las mitocondrias, están rodeados por dos membranas. - En el interior, presentan un conjunto de estructuras llamadas tilacoides. - Se encargan de absorber energía luminosa transformándola en energía química. 7. Vacuolas - Estructuras en forma de saco presentes principalmente en las células vegetales. - Sirven para almacenar compuestos como el agua, sales, proteínas, etc. 8. Lisosomas - Constituidos por membrana, tienen forma de pequeños llenos de enzimas degradadoras. - Su función es digerir o descomponer lípidos, carbohidratos y proteínas, etc. 9. Citoesqueleto - Entramado o estructura de filamentos de proteínas: actina, tubulina (microfilamentos y microtúbulos). - Sostiene y da forma a la célula. - Permite el movimiento celular. - Forma los centriolos. - Participa en la división celular. 22 10. Membrana celular - Constituida por una doble membrana compuesta de lípidos (bicapa lipídica), proteínas y carbohidratos entre otras. - Regula la entrada y salida de compuestos, moléculas, iones, etc. - Proporciona protección y soporte. - Permite la comunicación entre el interior y el exterior. 11. Pared celular (célula vegetal) - De manera general, se componen de fibras de carbohidratos (celulosa) y proteínas. - Su principal función consiste en dar soporte y protección a la célula. - Permite el paso de agua, oxígeno, CO2, etc. 12. Citoplasma - Constituyente interno de la célula; formado por diversas sustancias y organelos en un solución acuosa. - Tiene como función permitir que se lleven a cabo todas las funciones metabólicas celulares: transporte, reacciones químicas, nutrición, etc. Elaboración propia: Imégenes tomadas de internet Como hemos visto hasta ahora, las células son sin lugar a dudas las unidades básicas de la vida y por lo tanto de los organismos vivos. Sabemos que un organismo vivo puede estar formado por una sola célula, o por numerosas células que pueden llegar a ser miles o millones; estas células pueden desarrollarse de muy diferentes maneras y llevar a cabo incontables funciones fisiológicas. Desde esta perspectiva, se puede decir que los organismos multicelulares tienen diferentes niveles de organización celular que facilitan sus funciones y permiten la descripción funcional de cada tipo de célula; estos niveles de organización son: a) Tejidos: las células son el primer nivel de organización de los organismos multicelulares; estas se pueden agrupar en unidades llamadas tejidos. Un tejido es un conjunto de células 23 semejantes o parecidas que poseen funciones específicas. La mayoría de los animales poseen cuatro diferentes tipos de tejidos: muscular, epitelial, nervioso y conectivo. b) Órganos: muchos grupos de tejidos forman un órgano; esto se debe a que numerosas tareas son demasiado complejas para que las lleve a cabo un solo tipo de tejido. Cada tipo de tejido realiza una tarea que es esencial para ayudar al organismo a funcionar de manera adecuada. c) Sistema de órganos: grupo de órganos que trabajan en conjunto para llevar a cabo funciones específicas. Imagen tomada de internet La organización celular en tejidos, órganos y sistemas en los organismos multicelulares, origina una división de tareas que hace posible la supervivencia de estos organismos. Las células especializadas, pueden funcionar con precisión permitiendo que otros tipos celulares lleven a cabo otras funciones; desde esta perspectiva, es importante que se valore la importancia de cada tipo de célula y sus características, para poder entender la naturaleza de los seres vivos. APARATOS Y SISTEMAS EN EL HUMANO Sistemas Estructuras Función Imagen Nervioso Encéfalo, médula espinal, nervios periféricos Reconoce y coordina la respuesta del cuerpo a los cambios en sus ambientes interno y externo. Tegumentario Piel, pelo, uñas, glándulas sudoríparas y grasas. Sirve como barrera contra infecciones y lesiones; ayuda a regularla temperatura corporal; ofrece protección contra la radiación UV. 24 Esquelético Huesos, cartílagos, ligamentos, tendones. Sostiene al cuerpo; protege los órganos internos; permite el movimiento; almacena reservas minerales; contribuye en la formación de células sanguíneas. Muscular Músculo esquelético, músculo liso, músculo cardiaco. Trabaja con el sistema esquelético para producir los movimientos voluntarios; ayuda a la circulación de la sangre y a mover el alimento a los largo del sistema digestivo. Respiratorio Nariz, faringe, laringe, tráquea, bronquios, bronquiolos, pulmones. Proporciona el oxígeno necesario para la respiración celular y elimina el exceso de dióxido de carbono del cuerpo. Digestivo Boca, faringe, esófago, estómago, intestinos grueso y delgado, recto. Convierte los alimentos en moléculas más simples que puedan usar las células del cuerpo; absorbe el alimento y elimina los deshechos. Excretor Piel, pulmones, riñones, uréteres, vejiga urinaria, uretra. Elimina los productos de desecho del cuerpo en formas que mantienen la homeostasis. Endócrino Hipotálamo, glándulas: pituitaria, paratiroides, suprarrenales; páncreas, ovarios (mujeres) y testículos (hombres). Controla el crecimiento, el desarrollo y el metabolismo; mantiene la homeostasis. 25 Reproductor Testículos, epidídimo, conductos deferentes, uretra y pene (varones); ovarios, trompas de Falopio, útero, vagina (mujeres). Produce células reproductoras; Linfático (inmunológico) Glóbulos blancos, timo, bazo, nódulos linfáticos, vasos linfáticos. Ayuda a proteger al cuerpo contra enfermedades; recoge la pérdida de líquido de los vasos sanguíneos y regresa el líquido al sistema circulatorio. Circulatorio Corazón, vasos sanguíneos, sangre. Lleva oxígeno, nutrientes y hormonas a las células; combate infecciones; elimina los desperdicios de las células; ayuda a regular la temperatura Elaboración propia RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP3): Describe diferentes procesos metabólicos de los seres vivos, para comprender el intercambio de materia y energía con su entorno. Contenido de aprendizaje: I. Metabolismo celular. II. Nutrición autótrofa y heterótrofa. III. Respiración aeróbica y anaeróbica. IV. Síntesis de proteínas 26 I. METABOLISMO CELULAR. El metabolismo celular se define como la capacidad que tiene los organismos vivos de llevar a cabo todas sus funciones biológicas. Los organismos vivos dependen de la energía para vivir; muchos organismos vivos obtienen la energía que necesitan a partir de procesos químicos como la respiración y la fotosíntesis, que permiten llevar a cabo la transformación de compuestos simples a compuestos complejos, o de compuestos complejos a otros más simples. Imágenes tomadas de internet El metabolismo celular se divide en dos mecanismos que tienen funciones diferentes que son: a) Anabolismo: se encarga de sintetizar o construir sustancias o moléculas complejas a partir de otras más simples, sencillas o pequeñas. Un ejemplo de este mecanismo celular es la fotosíntesis que llevan a cabo las plantas y cierto tipo de algas. Fotosíntesis: Serie de reacciones químicas que utilizan la energía luminosa (solar) para convertir agua y dióxido de carbono en azúcares y oxígeno. La fotosíntesis se lleva a cabo dentro de los cloroplastos y se divide en dos fases o etapas: a) dependientes de la luz: se llevan a cabo dentro de las membranas de los tilacoides que son estructuras en forma de sacos; b) la fase oscura se lleva a cabo en el estroma o espacio externo de los tilacoides, y se denomina ciclo de Calvin. Imagen tomada de internet b) Catabolismo: se encarga de degradar o descomponer las sustancias o moléculas complejas en otras más pequeñas o sencillas, mismas que pueden ser utilizadas por las 27 células para generar energía, y así poder llevar a cabo todas sus funciones. Un ejemplo de catabolismo es la respiración celular que llevan a cabo las células. II. NUTRICIÓN AUTÓTROFA Y HETERÓTROFA La energía necesaria para que los organismos vivos lleven a cabo sus funciones proviene de los alimentos. Las plantas y otros tipos de organismos, pueden utilizar la energía luminosa para producir alimentos (fotosíntesis). Este tipo de organismos que producen su propio alimento se llaman autótrofos; en cambio, los organismos que no pueden producir su alimento y necesitan de otros para alimentarse se denominan heterótrofos. La célula almacena la energía química que necesita para funcionar en moléculas químicas de alta energía; un ejemplo de este tipo de moléculas es el ATP (trifosfato de adenosina), el cual posee una serie de características que le permiten ser la fuente de energía básica de todas las células. Para liberar la energía contenida en el ATP, es necesario que la célula rompa los enlaces de alta energía que mantienen unidos los átomos de fosfato a la molécula de azúcar que forma parte de la molécula de ATP. III. RESPIRACIÓN AERÓBICA Y ANAERÓBICA La respiración celular es el proceso químico que genera energía mediante la descomposición o degradación de glucosa y otro tipo de moléculas en presencia de oxígeno (aerobia), o en ausencia de este (anaerobia). Este proceso se lleva a cabo en etapas: a) La primera etapa es la descomposición de la glucosa, esta se denomina glucólisis y realiza en el citoplasma de la célula. b) La siguiente etapa llamada ciclo de Krebs, se lleva a cabo en la mitocondria y es donde se genera una gran cantidad de energía en forma de ATP producto del transporte de electrones. Como se mencionó, la respiración aerobia necesita de oxígeno para llevarse a cabo; el resultado de este proceso es la generación de energía en forma de ATP, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). 28 Respiración celular Imagen tomada de internet En ausencia de oxígeno, la fase de glucólisis sigue una vía diferente de descomposición a la que se le denomina fermentación. A diferencia de la respiración aeróbica, la fermentación (anaerobia) no requiere utilizar oxígeno para liberar energía, también en forma de ATP, sin. Durante el proceso de fermentación, las células convierten NADH (molécula de alta energía parecida al ATP) en NAD, para permitir que se siga produciendo energía en forma de ATP. Existen dos tipos de fermentación: a) Fermentación alcohólica: Las levaduras y otros microorganismos producen alcohol etílico y dióxido de carbono a partir de la descomposición de la glucosa en ausencia de oxígeno; este tipo de respiración es la responsable de que la masa del pan se infle o suba y de la elaboración de cerveza, vino, etc. Ácido pirúvico + NADH alcohol + CO2 + NAD b) Fermentación láctica: A diferencia de la anterior, en esta el ácido pirúvico que se acumula como resultado de la glucólisis puede transformarse en ácido láctico. Ácido pirúvico + NADH ácido láctico + NAD IV. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Hablar de síntesis de proteínas implica hablar de duplicación del ADN (ácido desoxirribonucleico) para formar ARN (ácido ribonucleico). Como sabemos, el ADN es la estructura química que almacena o resguarda la información genética contenida en los genes; por lo tanto, 29 los genes son las partículas químicas que contienen información o instrucciones precisas para que las células lleven a cabo todas sus funciones vitales. Una de esas funciones vitales es la síntesis de proteínas. Existen diferentes tipos o formas de ARN: a) ARN mensajero (contiene la información copiada del ADN); b) ARN ribosómico o ribosomal (al unirse a cierto tipo de proteínas, forma los ribosomas) y; c) ARN de transferencia (transfiere o traduce la información contenidaen el ARN mensajero para determinar qué tipos de aminoácidos deben unirse para formar las proteínas). Aunque el ARN es sus diferentes formas tiene diversas funciones, su principal función es llevar a cabo la síntesis de proteínas. La síntesis de proteínas se lleva a cabo en varias etapas. La replicación es la primera etapa, y consiste en la duplicación del ADN haciendo una copia exacta de ADN, antes de que la célula se divida. Para que se lleve a cabo la replicación, diversas enzimas (ej. Polimerasa de ADN) se encargan de copiar la información contenida en el fragmento de ADN que se necesita para la síntesis de alguna proteína. Las enzimas abren el fragmento de ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno que unen las dos hebras de ADN permitiendo que estas se desenrollen sirviendo de moldes para la síntesis del nuevo ADN al pegar las bases complementarias. La segunda etapa es la transcripción. En esta etapa, se forma o produce una copia de ADN en forma de ARN a partir de una secuencia complementaria de bases; en la transcripción participa la enzima polimerasa de ARN, esta enzima se une al ADN y usa una de las hebras como modelo para hacer una copia idéntica, ensamblando nucleótidos dando lugar a una hebra de ARN mensajero. La tercera etapa es la traducción; la información contenida en el ARN mensajero en forma de nucleótidos posee las secuencias necesarias para comenzar a unir de manera correcta los aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas. Síntesis de proteínas Imágenes tomadas de internet 30 Los nucleótidos son las moléculas que contiene la información para ir uniendo los aminoácidos que formaran las proteínas; estos nucleótidos se leen en grupos de tres a los que se les llama codón o triplete, el conjunto de nucleótidos que forman al ARN se le denomina secuencia nucleotídica. Los nucleótidos que forman al ADN son: Guanina (G), Citosina (C), Adenina (A) y Timina (T); en el caso del ARN, la timina se cambia por Uracilo (U), en el ARN no existe Timina y en el ADN no existe Uracilo. Imágenes tomadas de internet Estas moléculas llamadas bases púricas y pirimídicas, se unen cada una con su base complementaria para formar parejas: en el caso del ADN siempre Guanina se une con Citosina G – C, y Timina con Adenina T- A; en el caso del ARN la Adenina se unirá con el Uracilo en lugar de la Timina A – U. Cuando se realiza la copia de ADN para formar ARN el resultado será una cadena o secuencia complementaria cuya diferencia estribará en la presencia de Uracilo en lugar de Timina en la cadena de ARN formada. Imágenes tomadas de internet 31 RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP 4): Argumenta la aplicación de los avances de la biología celular, de manera crítica y reflexiva. Contenidos de aprendizaje I. CÉLULAS MADRE II. CLONACIÓN III. TRASPLANTES IV. TRANSFUSIONES I. CÉLULAS MADRE Las células madre o células troncales, son llamadas así porque dan origen a todos los tipos de células que existen en nuestro cuerpo. Este tipo de células tienen la característica de no estar especializadas (diferenciadas) y por lo tanto tienen la capacidad de diferenciarse en muy diversos tipos de células. Este tipo de células están presentes durante el desarrollo embrionario; después de la fecundación del óvulo, este último comienza una serie de divisiones mitóticas primarias que darán lugar a las células madre o troncales, que a su vez originaran los diversos tejidos y órganos que forman nuestro cuerpo. Existen diferentes tipos de células madre: a) Células madre totipotenciales: dan origen a todos los tipos de células presentes en nuestro organismo (células de la mórula). b) Células madre pluripotenciales: dan origen a gran variedad de tipos celulares (células de la masa interna del blastocisto embrionario) c) Células multipotenciales: dan lugar a varios tipos de células (células de la médula ósea que dan lugar a más de una docena de tipos de células sanguíneas). d) Células bipotenciales: dan lugar a dos diferentes tipos de células. e) Células unipotenciales: dan lugar a un solo tipo de células e. células del hígado). Diferentes tipos de células madre Imágenes tomadas de internet 32 II. Clonación La producción de células genéticamente idénticas a partir de una sola célula se denomina clon. En bacterias y otros microorganismos, es común desarrollar colonias clonadas a partir de una sola célula. Aunque actualmente ya se pueden clonar organismos superiores (ej. Dolly la oveja), no es algo que se dé de manera regular. La clonación, es un proceso en donde un óvulo tomado de una hembra adulta al que se le quita el núcleo, se fusiona con una célula somática tomada de otro organismo adulto; la célula fusionada, comienza a dividirse y el embrión resultante se transfiere a la matriz de una madre sustituta, donde se desarrolla de manera normal. Uno de los objetivos de la clonación, es poder hacer ayudar a salvar especies en peligro de extinción. Clonación Imagen tomada de internet III. Trasplante El trasplante puede definirse como la transferencia de un órgano de una persona a otra. Sin embargo, el trasplante es un método quirúrgico que se debe llevar a cabo tomando en consideración una gran variedad de factores fisiológicos tanto de la persona donante, como de la persona receptora. Uno de los más importantes, es tomar en cuenta el sistema de defensa inmunológico o inmunidad primaria del receptor; este sistema, está constituido por las células T. Las células T, se encargan de atacar (respuesta inmunológica) a los agentes extraños que entren a nuestro organismo (ej. Virus, bacterias, otros microorganismos); aunque parezca extraño, cuando se lleva a cabo un trasplante, estas células reconocen al órganos trasplantado como un organismo extraño y pueden atacarlo, esto dificulta la aceptación y como resultado el órgano es rechazado. 33 Para evitar el rechazo de órganos, es importante que se busquen donantes cuyos marcadores celulares sean iguales al receptor, y el médico debe administrar medicamentos para suprimir la respuesta inmunológica. Es importante hacer mención que debido a la falta de difusión, aceptación y educación sobre donación altruista de órganos, cada día es más difícil conseguir donantes de órganos; esto ha provocado que muchas personas que necesitan trasplantes de órganos no los reciban y mueran. Imagen tomada de internet IV. Transfusión La transfusión sanguínea es el proceso quirúrgico a partir del cual se administra una dosis determinada de sangre o de sus componentes a un receptor. Para poder realizar la transfusión, es importante que se determine el tipo de sangre que requiere el receptor (A, B, AB, O; factor RH+, RH-); cuando los tipos de sangre son compatibles las transfusiones son exitosas, cuando esto no sucede el sistema inmunológico se activa desencadenando una respuesta inmunitaria que puede en muchos casos provocar la muerte del enfermo. Imagen tomada de internet 34 UNIDAD DIDÁCTICA No. 2: CONTINUIDAD DE LOS SERES VIVOS Competencia Particular: Explica los principios básicos de los procesos para la continuidad de los seres vivos, a través de su aplicación en diferentes contextos. RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP 1): Describe las formas de reproducción que permiten la perpetuación de las especies, ubicando al ser humano en un contexto reproductivo. Contenido de aprendizaje I. Variantes básicas de la reproducción Una de las características más importantes de los organismos vivos es la reproducción. Todos los organismos vivos tienen la capacidad de producir nuevos organismos mediante el proceso de reproducción. La reproducción no es un proceso continuo; sin embargo, la mayoría de las células suelen dividirse y crecer a intervalos regulares, a este fenómeno se le denomina ciclo celular. El ciclo celular,está constituido por una serie de eventos cuyo resultado final es la replicación celular (intervalos regulares de crecimiento y división celular). En las células eucariotas, el ciclo celular se divide en cuatro fases o etapas seguidas una de otra en forma secuencial: 1) Fase G1 o Gap 1: se llevan a cabo todas las funciones vegetativas de la célula; síntesis de compuestos orgánicos como lípidos, proteínas, organelos celulares, etc., crecimiento y duplicación de los constituyentes de la célula; 2) Fase S o de síntesis de ADN: se lleva a cabo la duplicación del ADN; 3) G2 o Gap 2: se lleva a cabo la síntesis de proteínas asociadas a los cromosomas, disminuye la actividad metabólica celular; y 4) Fase M (mitosis o meiosis): se lleva a cabo el reparto del material genético entre las células hijas, para finalmente dividirse en la citocinesis. Las tres primeras fases se agrupan en una sola denominada interfase; entre la mitosis y G1, se presenta una pequeña etapa denominas G0 se denomina fase de reposo, donde la célula sale del ciclo celular y se mantiene ahí hasta que vuelve a prepararse para dividirse nuevamente. 35 Existen dos tipos básicos de reproducción: a) Asexual: Este tipo de reproducción únicamente requiere de un solo progenitor y posee diferentes variantes. i. Bipartición: la célula madre se divide en dos para dar lugar a dos nuevos organismos (mitosis: bacterias). ii. Gemación: la célula madre forma pequeñas células en forma de yemas o protuberancias que pueden permanecer unidas a ella o desprenderse para formar organismos libres (ej. Levaduras). iii. Esporulación: formación de estructuras llamadas esporas cuya función es semejante a las semillas, estas se producen en una estructura llamada esporangio (ej. Helechos, hongos). iv. Fragmentación: el progenitor se divide en fragmentos para dar lugar a nuevos organismos (ej. Estrella de mar, gusanos planos, lombrices). v. Propagación vegetativa: en las plantas se da este tipo de reproducción; a partir de un fragmento de la planta (estolón), raíces o brotes, puede desarrollarse un organismo idéntico al progenitor. En la reproducción asexual, el proceso de división celular se lleva a cabo por mitosis; como se mencionó en párrafos anteriores, dentro del ciclo celular la mitosis es la etapa o fase final del ciclo. MITOSIS: la mitosis se divide en cuatro etapas o fases que son. Profase: la cromatina o material genético se condensa para formar los cromosomas. Aparecen los centriolos, se separan y migran hacia los polos o extremos opuestos de la célula para formar el huso acromático. Metafase: los cromosomas se alinean en el ecuador o centro de la célula; las fibras del huso mitótico se adhieren al centrómero de los cromosomas. Anafase: los cromosomas se separan, y se desplazan hacia los polos opuestos. Telofase: se forma la membrana nuclear alrededor de los cromosomas cerca de los polos; la membrana de la célula comienza a constreñirse para dar inicio a la división celular. Citocinesis: la célula comienza a dividirse, separándose en dos células al ir estrechándose la membrana de manera paulatina y dividiéndose todos los componentes intracelulares. El resultado son dos células hijas con la misma cantidad de material genético, y las mismas características de la célula madre. 36 Imagen tomada de internet b) Sexual: Dos diferentes tipos de células (células germinales: óvulos y espermatozoides) provenientes de dos progenitores distintos (masculino y femenino), se unen (fecundación) para dar lugar a una nueva célula llamada cigoto que originará un nuevo organismo (ej. Organismos multicelulares: plantas y animales). Para que se lleve a cabo la reproducción sexual, es necesario que se formen las células germinales o gametos (óvulos y espermatozoides) las cuales deberán contener la mitad de la información genética presente en las células (somáticas) de cada especie en particular. Para que esto suceda, las células que darán lugar a los gametos llevan a cabo un doble proceso de división celular (proceso reductor donde el número de cromosomas por célula se reduce a la mitad mediante la separación de los cromosomas homólogos de una célula diploide) denominado meiosis. De la misma forma que la mitosis corresponde a la fase M del ciclo celular, la meiosis también pertenece a esta fase; sin embargo a diferencia de la mitosis, el resultado final dará origen a células hijas con un número de cromosomas impar (haploide) y con un contenido genético diferente entre ellas. La meiosis posee las mismas fases o etapas de división presentes en la mitosis; pero a diferencia de esta última, en la meiosis se duplica el proceso de tal manera que para distinguir ambos eventos de denominan como meiosis I y meiosis II. MEIOSIS I Interfase I: es la etapa del ciclo celular donde se lleva a cabo la preparación de la célula para entrar en división. 37 Profase I: cada cromosoma hace pareja con su cromosoma homólogo correspondiente para formar una tétrada; se lleva a cabo el entrecruzamiento de material genético o crossing over. Metafase I: los cromosomas se acomodan en el ecuador dela célula y las fibras del huso se adhieren al centrómero de cada uno de ellos. Anafase I: las fibras del huso jalan a los cromosomas hacia los extremos o polos opuestos de la célula. Telofase I: la célula se prepara para dividirse, se forman las membranas nucleares y la célula se constriñe para iniciar la división. Citocinesis I: la célula se divide para formar dos células hijas diploides. MEIOSIS II: en esta etapa la célula no entra en interfase, pasa directamente a profase. Profase II: las células hijas producidas en la meiosis I entran directamente a otro ciclo de división; los cromosomas se preparan para una nueva división. Metafase II: los cromosomas listos se alinean en el ecuador de las células, y el huso acromático engancha a los cromosomas. Anafase II: las cromátidas hermanas se separan y se desplazan hacia los polos opuestos de la célula. Telofase II: se forma la membrana nuclear y la membrana celular comienza a constreñirse para iniciar la división. Citocinesis II: el resultado final es la formación de cuatro células hijas con la mitad del material genético original (células haploides) diferentes genéticamente entre sí. Imagen tomada de internet 38 RESULTADO DE APRENDIZAJE (RAP 2): Aplica los principios de la genética, a través del reconocimiento de los patrones hereditarios y los avances biotecnológicos. Contenidos de aprendizaje I. Historia y conceptos básicos de la genética. II. Leyes de Mendel. III. Ingeniería genética. IV. Autorregulación y cuidado de sí mismo. I. HISTORIA Y CONCEPTOS BÁSICOS DE LA GENÉTICA. Genética La genética es la ciencia o rama de la biología, que se encarga de estudiar la herencia biológica, y la variación de la información contenida en los genes. La genética estudia los caracteres o características semejantes o diferentes que se transmiten de padres a hijos, aquéllos que los hacen parecer entre sí. Sin embargo, también estudia aquellos caracteres que no son semejantes que varían, y a estos se les llama variaciones, mismos que también son transmitidos genéticamente, y que pueden ser influenciados por el ambiente. ¿Cómo se transmiten estás características? A partir de la transferencia de información que se da cuando las células germinales (espermatozoides y óvulos) se unen (fecundación) para dar lugar a un nuevo organismo vivo (reproducción sexual), o por medio del proceso de fecundación asexual. Esta información está resguardada en el material genético (ADN) presente en todas las células de los organismos vivos; cuando las células se dividen, el ADN se condensa formando estructuras filiformes llamadas cromosomas, los cromosomas a su vez están formados por numerosos fragmentos denominados genes, los cuales contienenla información necesaria para determinar una característica o rasgo en cualquier organismo vivo. Los genes están divididos en dos porciones (o más) llamadas alelos (dominante – recesivo) que se definen como las forma alternativas que tiene un gen. Cada gen ocupa un espacio determinado dentro del cromosoma, este espacio se conoce como locus. Al conjunto de genes heredados se le denomina genotipo. El genotipo provee la información necesaria para la expresión de diversos rasgos o características; que pueden ser influidos por el ambiente, pero esto dependerá de la vida de cada individuo (por ejemplo, una determinada contextura muscular, se verá más o menos desarrollada de acuerdo con la actividad http://www.monografias.com/trabajos/genetica/genetica.shtml http://www.monografias.com/trabajos10/fciencia/fciencia.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtml http://www.monografias.com/trabajos7/sisinf/sisinf.shtml http://www.monografias.com/trabajos16/estrategia-produccion/estrategia-produccion.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtml 39 de cada individuo). De la expresión del genotipo y la interacción con el ambiente, se obtiene lo que se llama fenotipo que puede ser definido como aquello que se aprecia físicamente del individuo. Imagen tomada de internet II. LEYES DE MENDEL Gregorio Mendel (padre agustino aficionado a la botánica), publicó en 1866 los resultados de las investigaciones que había realizado en el jardín de su convento durante más de diez años. Estas investigaciones consistían en cruzar distintas variedades de chícharos y comprobar cómo se transmitían algunas de sus características a la generación siguiente. El sistema de experimentación que utilizó tuvo éxito debido a su gran sencillez, se dedicó a cruzar plantas que sólo diferían en una característica externa que, además, era fácilmente detectable. Por ejemplo, cruzó plantas de semillas verdes con plantas de semillas amarillas, plantas con tallo largo con otras de tallo corto, etc. Mendel pensó que existía un factor en el organismo que determinaba cada una de estas características, que este factor debía estar formado por dos elementos que se heredaban de los padres; además, estos dos elementos deberían ser versiones iguales o diferentes del mismo carácter. Cada versión del factor proporcionaría, por ejemplo, un color distinto a la semilla o una longitud de tallo diferente en la planta. Estos factores que Mendel sugirió son los genes. http://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtml http://www.monografias.com/trabajos11/biogenet/biogenet.shtml#MENDEL http://www.monografias.com/trabajos11/norma/norma.shtml http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml http://www.monografias.com/trabajos14/plantas/plantas.shtml http://www.monografias.com/trabajos14/plantas/plantas.shtml http://www.monografias.com/trabajos14/plantas/plantas.shtml http://www.monografias.com/trabajos5/colarq/colarq.shtml 40 i. Primera ley de Mendel Ley de la uniformidad: Si se cruzan dos razas puras para un determinado carácter, los descendientes de la primera generación son todos iguales entre sí y, a su vez, iguales a uno de sus progenitores, que es el poseedor del alelo dominante. Mendel determinó este principio, a partir de los resultados obtenidos de cruzar dos razas puras de plantas del guisante; una de ellas tenía semillas amarillas, y la otra tenía semillas verdes. La descendencia obtenida (que denominó F1), consistió únicamente en plantas que producían semillas de color amarillo; para Mendel, estas plantas debían tener en el gen que determina el color de la semilla los dos alelos que habían heredado de sus progenitores, un alelo para el color verde y otro para el color amarillo; pero, por alguna razón, sólo se manifestaba este último, por lo que se lo denominó alelo dominante, mientras que al primero se le llamó alelo recesivo. Imagen tomada de internet ii. Segunda ley de Mendel Ley de la segregación: durante la formación de los gametos, los alelos de cada gen se separan o segregan de manera independiente de tal manera que cada célula germinal o reproductiva se lleva uno solo de los alelos (una sola copia de cada gen). Los alelos recesivos que no se manifiestan en la primera generación (denominada F1) al cruzar dos razas puras, reaparecen en la segunda generación (denominada F2) resultante de cruzar los individuos de la primera. Además, la proporción en la que aparecen es de 3 a 1 respecto a los alelos dominantes. Mendel cruzó entre sí los guisantes de semillas amarillas obtenidos en la primera generación del experimento anterior; cuando clasificó la descendencia resultante, observó que aproximadamente tres cuartas partes tenían semillas de color amarillo y la http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml http://www.monografias.com/trabajos11/biogenet/biogenet.shtml#MENDEL http://www.monografias.com/trabajos5/colarq/colarq.shtml http://www.monografias.com/trabajos5/colarq/colarq.shtml http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml http://www.monografias.com/trabajos11/biogenet/biogenet.shtml#MENDEL 41 cuarta parte restante tenía las semillas de color verde. Es decir, que el carácter “semilla de color verde”, que no había aparecido en ninguna planta de la primera generación aparecía en la segunda, aunque en menor proporción que el carácter “semilla de color amarillo”. iii. Tercera ley de Mendel Ley de la segregación independiente: los genes de distintos rasgos o características pueden segregarse independientemente durante la formación de los gametos. Esto explica las numerosas variaciones genéticas se existen en la naturaleza. Los caracteres o rasgos heredados, son independientes entre sí y se combinan al azar (segregación independiente) durante la formación de los gametos; manifestándose en la segunda generación filial o F2. En este caso, Mendel seleccionó para el cruzamiento plantas que diferían en dos características, por ejemplo, el color de los guisantes (verdes o amarillos) y su superficie (lisa o rugosa). Mendel observó, que la primera generación estaba compuesta únicamente por plantas con guisantes amarillos y lisos, cumpliéndose la primera ley. Sin embargo, en la segunda generación aparecían todas las posibles combinaciones de caracteres, pero en las siguientes proporciones: 1/16 parte de guisantes verdes y rugosos, 3/16 de verdes y lisos, 3/16 de amarillos y rugosos y por ultimo 9/16 de amarillos y lisos. Esto le hizo pensar que los genes eran estructuras independientes unas de otras y, por lo tanto, que únicamente dependía del azar la combinación de los mismos que pudiese aparecer en la descendencia. http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO 42 Imagen tomada de internet La Genética después de Mendel: Teoría Cromosómica de la herencia A partir de que las técnicas para el estudio de la célula se desarrollaran, fue posible determinar que los genes estaban formados por acido desoxirribonucleico (ADN) y se encontraban dentro de unas estructuras que aparecían en el citoplasma celular justo antes de que se llevara a cabo la división celular. Estas estructuras son los cromosomas, llamados así por la intensidad con la que fijan determinados colorantes al ser teñidos para poder ser observados al microscopio. Los cromosomas aparecen repetidos (en pares) en la célula formando un número determinado de parejas de cromosomas llamados homólogos; este número es característico de cada especie, y son heredados por los padres (uno del padre y el otro de la madre). Otra característica que se pudo determinar con las técnicas de estudio, fue el número de paresde cromosomas que presenta cada especie; y se determinó que este no dependía de la complejidad del ser vivo. Por ejemplo, el hombre posee un número de 23 pares de cromosomas, mientras que en una planta como el trigo podían encontrarse hasta 28 pares. En 1906 el zoólogo estadounidense Thomas H. Morgan, llevó a cabo una serie de experimentos de genética utilizando los cromosomas de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster). A partir de sus descubrimientos, se logró elaborar “la teoría cromosómica de la herencia”, que establece la localización física de los genes en la célula. Gracias a esta teoría se pudo dar una explicaci6n definitiva a los casos en los que no se cumplían con exactitud las leyes de Mendel previamente citadas. http://www.monografias.com/trabajos6/juti/juti.shtml http://www.monografias.com/trabajos12/desox/desox.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO http://www.monografias.com/trabajos12/foucuno/foucuno.shtml#CONCEP http://www.monografias.com/trabajos7/micro/micro.shtml http://www.monografias.com/trabajos15/fundamento-ontologico/fundamento-ontologico.shtml http://www.monografias.com/trabajos13/heren/heren.shtml http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml 43 De la misma manera que Mendel, Morgan se dedicó a cruzar de manera sistemática diferentes variedades de moscas del vinagre. Estas moscas ofrecían muchas ventajas con respecto a los guisantes ya que tienen un ciclo vital muy corto, producen una gran descendencia, son fáciles de cultivar, tienen tan solo cuatro cromosomas y presentan características hereditarias fácilmente observables, como el color de los ojos, la presencia o ausencia de alas, etcétera. Herencia de genes ligados La investigación que realizó Morgan con las moscas del vinagre, le proporcionó a evidencias de que los caracteres no eran heredados siempre de forma independiente tal y como había postulado Mendel en su tercera ley. Supuso que al haber solo cuatro cromosomas diferentes, muchos genes debían estar unidos o ligados, es decir, debían compartir el mismo cromosoma y por esta razón mostraban una clara tendencia a ser transmitidos juntos a la descendencia. Esto no implicaba que las conclusiones realizadas por Mendel, dejaran de ser correctas para los genes no ligados. III. INGENIERÍA GENÉTICA La era de la genética En la actualidad existe una gran variedad de novedosas técnicas para llevar a cabo estudios genéticos de alto impacto, por ejemplo los llamados marcadores genéticos; estos, son fragmentos de ADN capaces de rastrear el material genético en busca de genes que presentan algún tipo de problema. Esta nueva tecnología, por ejemplo, permite a los médicos la identificación de personas que podrían en algún momento padecer cierto tipo de enfermedades genéticas, o que, estando sanos, portan genes defectuosos. Hace menos de 25 años los especialistas, no podían hacer casi nada en relación con las enfermedades de tipo genético. Por ejemplo, si un médico recibía a una pareja que tenía un hijo que presentaba el síndrome de Tay Sachs (una enfermedad cuyos síntomas son: ceguera y parálisis seis meses después del nacimiento, que conducen a la muerte del niño antes de los cinco años) o afectado por distrofia muscular de Duchenne, (DMD: una atrofia muscular que deja a los enfermos postrados para siempre en una silla de ruedas), con la idea de tener más hijos, solamente podía hablar de probabilidades, de los riesgos de que se manifestase o no el gen fatal, pero no podía darles una respuesta real de lo que sucedería. Sin embargo, hoy día la ciencia está empezando a intervenir en los cromosomas, a detectar los genes dañados mediante marcadores químicos, a darles caza con trampas moleculares y a reemplazarlos por otros en perfecto estado, valiéndose de pinzas enzimáticas. http://www.monografias.com/trabajos4/leyes/leyes.shtml http://www.monografias.com/trabajos12/desox/desox.shtml http://www.monografias.com/Tecnologia/index.shtml http://www.monografias.com/Salud/Enfermedades/ http://www.monografias.com/trabajos15/tanatologia/tanatologia.shtml http://www.monografias.com/trabajos13/progper/progper.shtml http://www.monografias.com/trabajos16/ciencia-y-tecnologia/ciencia-y-tecnologia.shtml http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtml 44 Ante estos resultados, no es de extrañar que muchos científicos afirmen que estamos en la Era de la Genética. Ingeniería genética La ingeniería genética, se basa en la acción de transferir fragmentos de genes o genes completos de un organismo a otro. Esto puede implicar, que algunos genes de plantas o de animales pueden ser transferidos de una planta a un animal o viceversa. Por ejemplo, en 1986 unos investigadores (Howell y cols.) aislaron el gen de la luciferasa (enzima que da brillo a las luciérnagas) y lo transfirieron a una planta de tabaco. Cuando se desarrollaron las plantas a partir de las células recombinantes, el gen de la luciferasa se activó provocando que la planta brillara en la oscuridad. Esto mostró que las plantas y los animales comparten los mecanismos básicos para la expresión de un gen. Así pues, la naturaleza universal de los mecanismos genéticos hace posible la construcción de organismos a los que se les llama transgénicos; estos organismos, poseen genes de otras especies. Utilizando las herramientas y técnicas básicas de la ingeniería genética, el gen de un organismos puede ser transferido o introducido a las células de otro organismo diferente, pudiendo dar como resultado el desarrollo de un nuevo organismo. La ingeniería genética ha fomentado el desarrollo de la biotecnología, y esto ha permitido que se dé un cambio en la forma de interactuar con el mundo. IV. AUTORREGULACIÓN Y CUIDADO DE SÍ MISMO El conocimiento de la genética humana, ha desentrañado numerosos misterios que se tenían sobre las características genéticas de hombre; esto obviamente, genera mayor responsabilidad al utilizar la información que se tiene. Desde esta perspectiva, es importante saber que la información contenida en nuestro material genético es privada y personal, por lo tanto las personas tienen el derecho de negarse a dar muestras de su ADN si así lo decide. Sin embargo, conocer las características de nuestro acervo genético, nos da la posibilidad de saber si existe en él algún tipo de anomalía que podría desencadenar problemas de salud. Algunos ejemplos de enfermedades causadas por trastornos genéticos son: 45 Trastornos autosómicos humanos Tipos de genes (alelos) Trastorno Síntomas Alelos recesivos Albinismo Ausencia de pigmento en la piel, cabellos y ojos. Fibrosis quística Exceso de moco en los pulmones, aparato digestivo, hígado, mayor susceptibilidad a las infecciones. Galactosemia Acumulación de galactosa (tipo de azúcar) en los tejidos; retraso mental; daño en ojos e hígado. Fenilcetonuria (PKU) Acumulación de fenilalanina en los tejidos; ausencia de pigmento normal en la piel; retraso mental. Enfermedad de Tay - Sachs Acumulación de lípidos en las células del cerebro; deficiencia mental; ceguera; muerte en los primeros años. Alelos dominantes Acondroplasia Enanismo (una forma). Enfermedad de Huntington Deterioro mental y movimientos incontrolables; los síntomas suelen aparecer a mediana edad. Hipercolesterolemia Exceso de colesterol en la sangre; enfermedad cardiaca. Alelos codominantes Anemia de células falciformes Glóbulos rojos deformados, con forma de hoz; daños en diferentes tejidos. Elaboración propia Como vemos existen, una gran cantidad de enfermedades relacionadas con aspectos genéticos; muchas desarrolladas por la expresión de genes o alelos en sus formas recesivas, dominantes, codominantes, etc.; muchas otras por la deleción o pérdida de una parte de un
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