lunes, 17 de marzo de 2014

Características generales de los seres vivos: el nivel celular

La teoría celular es uno de los paradigmas básicos de la biología. Su idea básica es que todos los organismos están constituidos por células, pero este concepto central se precisa en varios postulados relacionados entre sí:
  • La célula es la unidad estructural de la materia viva, y una célula puede ser suficiente para constituir un organismo.
  • Todas las células proceden de células preexistentes, por división de éstas (Omnis cellula e cellula).
  • Las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, controladas por sustancias que ellas secretan.
  • Cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente generación celular. 

Las células son entidades complejas, que pueden presentar estructuras muy diferentes según el tipo de organismo al que pertenezcan. Sin embargo, todas las células presentes en cualquier organismo poseen unos elementos comunes:
  • La membrana celular o membrana plasmática sirve de límite a la célula, regula el intercambio de sustancias con el entorno y recibe la información del exterior.
  • El citoplasma es el medio interno de la célula. Está formado fundamentalmente por agua, y contiene la maquinaria celular y los elementos estructurales de la célula.
  • En el interior de la célula siempre hay ADN, que contiene toda la información necesaria para que lleve a cabo sus funciones.
  • Los ribosomas, necesarios para la síntesis de proteínas, son también elementos comunes a todas las células.
También tienen en común su composición química: el agua es el componente mayoritario de todas las células, representando aproximadamente el 70% de su contenido. El siguiente componente en abundancia son las proteínas, lo que da una idea de su importancia en el funcionamiento celular. También aparecen siempre en las células ácidos nucleicos, pequeñas moléculas orgánicas y fosfolípidos y polisacáridos.

Tipos de células y complejidad

Según su grado de complejidad, se diferencian dos grandes tipos de células: el nivel de organización procariota, que caracteriza a las bacterias pero que también corresponde a la organización de algunos orgánulos como mitocondrias y cloroplastos y el nivel de organización eucariota, que se presenta en protistas, hongos, plantas y animales, con diferencias significativas entre los distintos grupos pero con características comunes a todos ellos.

La diferencia más significativa entre las células procariotas y las eucariotas es que éstas poseen un sistema de membranas en el interior de la célula. Es un conjunto de membranas relacionadas entre sí que divide el interior de la célula en dos compartimentos separados. También poseen orgánulos complejos, como las mitocondrias, y un citoesqueleto que mantiene su forma y actúa como sistema de transporte intracelular.

La célula como unidad funcional de los seres vivos

La nutrición celular

Todas las células de un organismo necesitan realizar las funciones de nutrición, lo que incluye tres procesos fundamentales:
  • Entrada de los nutrientes a la célula
  • Utilización de los nutrientes, que se produce mediante el metabolismo, conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de la célula y que supone la transformación de los nutrientes en los componentes habituales de la célula, y su utilización para cubrir las necesidades celulares. El metabolismo está organizado en rutas metabólicas, series de reacciones químicas coordinadas en las que cada producto se usa como sustrato de la siguiente reacción.
  • Eliminación de los residuos
La célula necesita oxígeno, agua, iones minerales, monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos, ácidos orgánicos y lípidos. Para que la célula pueda utilizarlos estas sustancias tienen que atravesar la membrana plasmática, pero la membrana presenta permeabilidad selectiva: permite el paso de algunas sustancias, pero no de otras.

Los gases y los lípidos pueden atravesar la membrana libremente, pasando de donde están más concentrados a donde están menos concentrados. Este proceso se denomina difusión.

Las sustancias hidrófilas no pueden atravesar la membrana hidrófoba libremente. Necesitan proteínas transportadoras específicas. Si el paso se produce a favor de gradiente de concentración (de más concentrado a menos concentrado), el movimiento no necesita que la célula gaste energía, y el medio de transporte se denomina difusión facilitada.

Por el contrario, si las sustancias deben moverse de donde están menos concentradas a donde están más concentradas es necesario gastar energía para permitir el paso y el mecanismo de transporte se denomina transporte activo.

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Metabolismo celular

Las células utilizan los nutrientes que consiguen del exterior mediante un conjunto regulado de reacciones químicas, catalizadas por enzimas específicas, que reciben el nombre global de metabolismo. Un grupo de esas transformaciones químicas consiste en romper los nutrientes para formar los constituyentes básicos de la célula. En general, esas reacciones producen energía y reciben el nombre de reacciones catabólicas. Los constituyentes celulares de pequeño tamaño se utilizan para producir las macromoléculas que utiliza la célula. En general, en estas reacciones, denominadas anabólicas, se consume energía.

El catabolismo tiene dos objetivos fundamentales:
  • Obtener la energía que las células necesitan para seguir funcionando. La energía se obtiene fundamentalmente a partir de los glúcidos, tanto monosacáridos como polisacáridos, y de los lípidos presentes en la célula. Como resultado de su degradación se producen moléculas de pequeño tamaño.
  • Producir las moléculas que las células utilizan. Las moléculas producidas en la degradación de los nutrientes se utilizan para producir los componentes celulares.
Si la célula almacena glucógeno, el primer paso del catabolismo es convertirlo en glucosa. Sin embargo, la mayoría de las células consiguen su glucosa directamente del exterior. La glucosa celular se transforma en ácido pirúvico siguiendo una ruta metabólica llamada glucolisis, en la que se produce una pequeña cantidad de ATP y de NADH+H+. Esta parte del catabolismo ocurre en el citoplasma y es anaerobio, es decir, en ella no se utiliza oxígeno.

El resto del catabolismo ocurre en el interior de la mitocondria. El ácido pirúvico pasa a su interior y se transforma en ácido acético. En este caso la molécula obtenida emplea parte de la energía liberada en la reacción en unirse a otra molécula mediante un enlace de alta energía, dando lugar a un compuesto llamado acetil coenzima A. Los ácidos grasos también son degradados en la mitocondria, produciendo NADH+H+ y acetil-CoA.

El acetil-CoA se incorpora a una ruta metabólica llamada ciclo de Krebs, que produce energía (ATP) y, sobre todo, poder reductor, que puede transformarse en energía de enlace mediante el proceso de fosforilación oxidativa, que tiene lugar a través de la membrana interna de la mitocondria.
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El ciclo de Krebs es la ruta central del metabolismo celular. A él van a parar los productos del catabolismo de glúcidos, lípidos y proteínas y en él se produce energía de enlace (ATP) y poder reductor que la célula puede utilizar en otras reacciones, pero también se forman moléculas que la célula necesita para otras rutas, incluyendo la formación de sus propios componentes.

El anabolismo celular
Los organismos heterótrofos pueden construir sus macromoléculas a partir de sus constituyentes básicos. Sin embargo, algunos de los compuestos necesarios no pueden ser producidos por la propia célula, y deben ser tomados del exterior. Esas sustancias reciben el nombre de vitaminas o, de forma más correcta, de compuestos esenciales. Finalmente, las macromoléculas se utilizan para construir las estructuras y los orgánulos celulares. En general, todos estos procesos necesitan aporte de energía en forma de ATP y de NADH+H+.

Los organismos autótrofos son los que tienen capacidad para:
  • Producir energía química en forma de ATP y NADH a partir de otras formas de energía.
  • Utilizar la energía química obtenida para producir compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas. 
Sin embargo, no todos los organismos autótrofos pueden producir todas las sustancias que necesitan. La mayoría, entre ellos las plantas, producen compuestos carbonados (monosacáridos), pero los compuestos nitrogenados, como los aminoácidos, solo se sintetizan mediante la fijación de nitrógeno, un proceso fundamental para la vida en la Tierra, que solo es realizado por unos pocos tipos de organismos.



 Las funciones de relación en las células

La comunicación de las células con el resto del organismo tiene lugar a través de la membrana plasmática. En general, la información llega en forma de moléculas producidas por otras células: el sistema nervioso envía neurotransmisores, el sistema endocrino hormonas y las células vecinas ciertas sustancias que reciben el nombre de mensajeros paracrinos.

Algunas de estas sustancias son liposolubles, en cuyo caso atraviesan libremente la membrana y llegan hasta el núcleo, pero las hormonas hidrosolubles tienen que unirse a proteínas específicas, que atraviesan la membrana. Estas hormonas no atraviesan la membrana, sino que provocan la formación de un “segundo mensajero” en el interior de la célula, que desencadena el  efecto provocado por la hormona.
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La llegada a la célula de un mensajero químico desencadena varios procesos en su interior:
  • La producción de “segundos mensajeros”, moléculas pequeñas que activan o inactivan diferentes proteínas celulares.
  • Los segundos mensajeros activan o inactivan proteínas de señalización intracelular. Estas sustancias suelen estar relacionadas formando una “cascada de regulación”.
  • Las proteínas de señalización intracelular modifican la actividad de proteínas efectoras.
 
Funciones de reproducción celular

Todas las células tienen la capacidad de dividirse para dar lugar a otras semejantes a ellas. Sin embargo, en un organismo pluricelular esta capacidad está controlada por señales químicas que regulan la división, el crecimiento y la muerte de las células.
  • Mitógenos: Inducen la división celular.
  • Factores de crecimiento: Estimulan el aumento de tamaño celular mediante síntesis de proteínas.
  • Factores de supervivencia: Evitan la muerte programada de las células (apoptosis).
  • Factores supresores: Detienen el crecimiento celular o inducen la muerte celular programada.

La mayoría de las células de un organismo pluricelular se encuentran habitualmente en un estado no proliferativo llamado G0. En algunas células ese estado es irreversible, y no pueden volver a dividirse: neuronas, músculo esquelético... Otras células pueden empezar a dividirse cuando reciben del exterior los estímulos adecuados. Las células también pueden morir de forma programada si reciben el estímulo correspondiente.

Para poder reproducirse, una célula necesita realizar una serie de procesos que, en su conjunto, constituyen el ciclo celular.
  1. Crecimiento celular y funcionamiento “normal” (periodo G1). La célula pasa en esta fase un tiempo indefinido. Es el estado en el que se encuentran las células que no se dividen, aunque en ese caso se denomina G0.
  2. Duplicación del material genético (periodo S). Es necesaria para poder repartirlo entre las células hijas.
  3. Control de que el material genético se ha copiado correctamente (fase G2)
  4. Reparto del material genético (mitosis).
  5. División de citoplasma y orgánulos (citocinesis).
La mitosis es el proceso mediante el cual las células eucariotas reparten su material genético, previamente duplicado, entre las células hijas. Tras ella se divide el citoplasma y se reparten los orgánulos (citocinesis).

La muerte celular es un proceso que, finalmente, sufren todas las células de un organismo. Este proceso puede ocurrir de formas diferentes:
  • La apoptosis es un mecanismo de muerte programada que los organismos utilizan para eliminar estructuras innecesarias o para equilibrar la proliferación.
  • La necrosis es un proceso de muerte en respuesta a un daño celular. La necrosis de una célula daña a las que la rodean y produce inflamación.
 

domingo, 16 de marzo de 2014

Las biomoléculas orgánicas

Todas las moléculas orgánicas que forman parte de los seres vivos están constituidas por la unión de varios átomos de Carbono. En los compuestos orgánicos, el Carbono forma un total de cuatro enlaces covalentes, que pueden unirlo a cuatro átomos diferentes o bien a un mismo átomo mediante varios enlaces. El átomo que se une al carbono puede ser otro carbono o un elemento distinto, como Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno o Azufre. La unión entre átomos de Carbono puede dar lugar a estructuras moleculares complejas, incluyendo cadenas lineales, cadenas ramificadas o ciclos. Esto hace de este elemento el más versátil de todos los de la tabla periódica, dando lugar a una enorme variedad de compuestos de la que se benefician los seres vivos.


Desde el punto de vista de su comportamiento químico, la unión del Carbono o del Nitrógeno a ciertos grupos de átomos proporciona características específicas a las moléculas que contienen esos grupos que se denominan grupos funcionales. Los grupos funcionales más importantes que utilizan los seres vivos son el grupo ácido, el grupo -oxo (aldehídos y cetonas), el grupo alcohol y el grupo amino. Usando uno o varios de esos grupos funcionales los organismos son capaces de construir una gran variedad de moléculas diferentes, con las que pueden construir sus estructuras y realizar todas sus funciones. 


Para identificar los compuestos orgánicos no solo hay que tener en cuenta su composición, sino también la ordenación de los átomos en la molécula. Muchas moléculas orgánicas orgánicas tienen varios isómeros, es decir, pueden presentar varias estructuras espaciales no equivalentes (configuraciones). La función que realizan las moléculas en los organismos depende de su estructura tridimensional, porque en muchos casos supone la unión entre moléculas complementarias. Esto supone que si una molécula presenta varios isómeros, éstos no son equivalentes entre sí para los seres vivos. Por el contrario, los organismos suelen utilizar un solo isómero de cada molécula. 

Los tipos de biomoléculas orgánicas

Una célula puede contener en torno a unos 1000 tipos diferentes de pequeñas moléculas (masa molecular entre 100 y 500). Esas sustancias están presentes en prácticamente todos los tipos de células, e incluyen: Los 20 aminoácidos que forman las proteínas
  • Los nucleótidos, que componen los ácidos nucleicos
  • Los carbohidratos y sus derivados fosforilados
  • Varios tipos de ácidos orgánicos 

Todas ellas componen lo que se conoce como metaboloma, es decir, el conjunto de moléculas de pequeño tamaño que están presentes en una célula determinada. Todas son moléculas cargadas o polares, solubles en agua. Se encuentran en concentraciones muy bajas. No pueden entrar y salir libremente de la célula, sino que necesitan transportadores específicos para hacerlo. Intervienen en los principales conjuntos de reacciones químicas que ocurren en la célula, lo que constituye una prueba de un origen evolutivo común de los seres vivos.

Además de las moléculas orgánicas pequeñas, las células utilizan otras de mayor tamaño para llevar a cabo sus funciones.

Lípidos

Los lípidos son sustancias insolubles en agua (hidrófobas) que forman parte de las membranas biológicas y que se utilizan como reserva de energía o aislante térmico. Algunos deben ser consumidos en la dieta vitaminas liposolubles) y otros realizan funciones hormonales (hormonas sexuales, esteroides). Los ácidos grasos son los lípidos que absorbemos como nutrientes de los alimentos. Los organismos los usan para formar compuestos complejos, como los triacilglicéridos, que se usan como reserva energética o los fosfolípidos, que forman parte de las membranas celulares.

Los fosfolípidos tienen unas características químicas peculiares: una parte de su estructura es apolar, y se disuelve mal en el agua; en cambio la otra parte es polar, y por lo tanto hidrófila. En presencia de agua, estas moléculas pueden disponerse formando una doble capa. En ella las zonas externas son hidrófilas mientras que las zonas que repelen el agua quedan en el interior de la bicapa. Esta estructura forma las membranas celulares. Se caracteriza porque mantiene separados el interior y el exterior de la célula, al no permitir el paso de agua ni de sustancias hidrófilas.

Carbohidratos

Los monosacáridos son los compuestos más sencillos de una familia de sustancias que reciben el nombre de glúcidos o carbohidratos. Desde el punto de vista químico se caracterizan porque en su estructura hay siempre dos grupos funcionales: Un grupo oxo, que puede encontrarse en el primer carbono (dando lugar a las llamadas aldosas)o en el segundo, dando lugar a las cetosas, y grupos alcohol (-OH) en todos los demás carbonos. Los monosacáridos pueden cerrarse sobre sí mismos formando ciclos.

Las células utilizan los monosacáridos como “combustibles metabólicos”. También se utilizan como elementos de los nucleótidos, que a su vez forman parte de los ácidos nucleicos.

Los monosacáridos pueden unirse entre sí formando cadenas, lineales o ramificadas llamadas polisacáridos. Las grandes moléculas formadas por la unión de otras más pequeñas se llaman polímeros, y sus unidades monómeros. En los seres vivos los polisacáridos pueden tener dos funciones fundamentales: reserva de energía, como el almidón en vegetales y el glucógeno en animales, o la formación de estructuras de soporte, como la celulosa, que forma la pared celular en vegetales. Los polisacáridos de reserva energética se utilizan “arrancando” los monosacáridos de uno en uno.

Aminoácidos y proteínas

Los aminoácidos son una familia de compuestos que forman las proteínas. Todos presentan una estructura común y una parte específica. La parte común incluye un átomo de carbono unido a un hidrógeno (carbono α, y un grupo ácido y un grupo amino unidos al mismo carbono α. La parte específica es un grupo (radical) que varía de un aminoácido a otro, y que también se encuentra unido al carbono α. Las proteínas están formadas por veinte tipos de aminoácidos distintos, que solo se diferencian por su grupo R.

El grupo ácido y el grupo amino de dos aminoácidos pueden reaccionar entre sí formando un enlace que recibe el nombre de enlace peptídico. El compuesto que resulta sigue teniendo un grupo carboxilo en un extremo y un grupo amino en el otro. Esto permite que los aminoácidos puedan unirse formando cadenas de gran tamaño, llamadas proteínas.

En una proteína los 20 aminoácidos pueden combinarse de forma totalmente libre en cuanto a número y orden, lo que hace que el número de proteínas posibles sea virtualmente infinito. Dos proteínas se diferencian entre sí por su estructura primaria, que es el orden en el que se disponen los aminoácidos que forman la proteína.

Los aminoácidos que forman una proteína se atraen entre sí, haciendo que la proteína adquiera una forma tridimensional concreta. La forma espacial de la proteína constituye su estructura terciaria. La gran variedad de estructuras primarias posible hace que también pueda existir una gran variedad de estructuras terciarias, lo que tiene gran importancia desde el punto de vista biológico porque la función de cada proteína depende de su forma tridimensional. Gracias a su gran variedad de estructuras, las proteínas pueden realizar la mayor parte de las funciones que realizan los organismos: Hacen posibles las reacciones químicas, forman estructuras celulares, sirven de mensajeros químicos, controlan el funcionamiento de los genes, reciben estímulos, almacenan materiales y energía, transportan sustancias, producen y permiten el movimiento...


Nucleótidos y ácidos nucleicos

Los nucleótidos son un tipo de moléculas orgánicas que, a su vez, están formados por la unión de tres tipos de moléculas: uno o varios fosfatos, un monosacárido de cinco carbonos y una base nitrogenada. Los nucleótidos son una familia de compuestos, dentro de la que hay diferentes posibilidades de variación: pueden tener dos tipos de monosacáridos, ribosa y desoxirribosa, de uno a tres fosfatos y varias bases nitrogenadas: adenina, citosina, guanina, timina o uracilo, nicotinamida...

En total, en una célula hay unos 200 tipos de nucleótidos y sustancias relacionadas diferentes. Los nucleótidos tienen funciones biológicas relacionadas con la transferencia de energía debido a que los enlaces entre grupos fosfato son de “alta energía”, lo que significa que para formarse, necesitan que se aporte una gran cantidad de energía, pero también que cuando se rompen, liberan gran cantidad de energía que puede pasar de unas reacciones a otras.

Los nucleótidos con tres fosfatos actúan como “baterías” que pueden descargar energía cediéndola para que ocurran otras reacciones químicas o cargarse gracias a la energía de otras reacciones. La molécula que cumple esta función en la mayor parte de los casos es el ATP.

Otra forma de energía química es el poder reductor, que es la capacidad de donar electrones a una sustancia. Este proceso permite que ocurran un tipo de reacciones imprescindibles en los seres vivos, las de oxidación-reducción. La sustancia que realiza esta función con mayor frecuencia en los seres vivos es el NADH (nicotín adenín dinucleótido).

Los nucleótidos pueden formar polímeros en forma de cadenas que reciben el nombre de ácidos nucleicos. Hay dos grandes tipos de ácidos nucleicos, según el monosacárido que forme parte de los nucleótidos. Si el monosacárido es la ribosa el ácido nucleico resultante es el ARN (ácido ribonucleico). Las bases nitrogenadas que lo forman son adenina, citosina, guanina y uracilo. Si el monosacárido es la desoxirribosa el ácido nucleico que se forma es el ADN (ácido desoxirribonucleico), y en su composición aparece timina en lugar de uracilo.

Los ácidos nucleicos son heteropolímeros, porque están formados por monómeros distintos, como las proteínas. La parte que varía entre los nucleótidos es la base nitrogenada.

Los ácidos ribonucleicos (hay varios tipos) forman siempre una única cadena lineal. Algunos tienen una estructura tridimensional debido a que se pliegan sobre sí mismos.
El ADN tiene una estructura característica en forma de doble hélice, formada por dos cadenas complementarias entre sí. Las dos cadenas están unidas mediante puentes de hidrógeno específicos entre bases concretas: la adenina es complementaria de la timina y la citosina es complementaria de la guanina. Debido a esta estructura la secuencia de nucleótidos de una cadena determina la de la otra hebra.

Los organismos necesitan información para poder mantener su funcionamiento: elaborar sus componentes, organizarlos en sus estructuras y controlar y regular su funcionamiento, ajustándolo a sus necesidades. Esta información, que se denomina genética porque sus unidades son los genes, se utiliza (se expresa) mediante la síntesis de proteínas. Para que un organismo pueda contener y utilizar información es necesaria una molécula capaz de… 
  • Almacenar información 
  • Producir copias idénticas de sí misma 
  • Ser leída, “expresando” su información 

En los seres vivos esa molécula es el ADN; la información está almacenada en la secuencia de nucleótidos, puede copiarse gracias a la complementariedad de bases y se expresa mediante la síntesis de proteínas en los ribosomas.

Los niveles de organización subcelulares: bioelementos y biomoléculas inorgánicas

La célula es el nivel de organización fundamental de los seres vivos, ya que cualquier célula, tanto si forma parte de un organismo pluricelular como si constituye un organismo completo, muestra todas las caracteristicas que podemos atribuir a un ser vivo. Entre esas características se encuentra la recursividad: las células están formadas por orgánulos, un tipo de sistemas exclusivo de los organismos, que a su vez están formados por moléculas, las cuales están compuestas de átomos.
Sería posible seguir analizando niveles de organización de complejidad menor, pero son objeto de otras ciencias, en particular de la Física; se podría decir lo mismo de átomos y moléculas, que son el objeto de estudio de la Química, pero lo cierto es que hay diferencias muy significativas entre las moléculas que forman la materia viva y las que componen la materia inerte. En cuanto a los átomos, aunque las moléculas biológicas (o biomoléculas) están formados por los mismos elementos químicos que las moléculas inorgánicas, hay una diferencia también significativa en cuanto a abundancia: los organismos prefieren ciertos elementos químicos para su uso, y lo hacen no en función de su abundancia en el entorno que les rodea, sino según sus características químicas, escogiendo solo aquellos que resultan adecuados para su funcionamiento. Por estos motivos el estudio de los bioelementos y de las biomoléculas es una parte fundamental de la Biología.

Bioelementos

Hay unos 90 elementos químicos que pueden ser encontrados en la naturaleza, pero los seres vivos solo utilizan algunos de ellos, a los que se da el nombre de bioelementos. Son más o menos una veintena de elementos químicos, aunque no todos están presentes en todos los organismos, ni aparecen en proporciones similares. El 96% de toda la materia viva está formada por solo seis elementos químicos, denominados bioelementos primarios: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno, por una parte, y Fósforo y Azufre por otra. Los cuatro primeros aparecen prácticamente en todas las moléculas de los seres vivos, mientras que el Fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y de algunos lípidos, y el Azufre se encuentra en las proteínas.
Otros cinco elementos químicos están presentes también en todos los seres vivos, y son imprescindibles para la vida, aunque son mucho menos abundantes que los anteriores: Cloro, Sodio, Magnesio, Potasio y Calcio. Se denominan bioelementos secundarios.
Por último, un grupo de elementos se encuentran en la materia viva en una proporción menor del 0,01%, por lo que reciben el nombre de oligoelementos. Los oligoelementos no son universales, es decir, no son los mismos para todos los organismos, aunque algunos de ellos se encuentran prácticamente siempre, como el Hierro, el Cinc...
Todos los bioelementos primarios son no metálicos y de bajo peso molecular, aunque el Hidrógeno tiene propiedades especiales, porque puede actuar como metálico y como no metálico. Son abundantes en la naturaleza, pero en los seres vivos se encuentran en una proporción mucho mayor a la que presentan en el medio inorgánico, lo que significa que los organismos no se limitan a tomarlos del exterior, sino que los seleccionan por sus características químicas.
La diferencia más importante, desde el punto de vista biológico, entre elementos metálicos y no metálicos es que los primeros forman enlaces iónicos, que se rompen fácilmente, hasta el punto de que basta simplemente con disolver el compuesto iónico para que se separen sus constituyentes. Por el contrario los elementos no metálicos forman enlaces covalentes, mucho más difíciles de romper, de modo que dan lugar a moléculas muy estables, lo que es fundamental para la estabilidad química de los organismos.
Los bioelementos secundarios son también de bajo peso molecular, por lo que son bastante abundantes en la naturaleza. Forman enlaces iónicos, por lo que se presentan en los seres vivos en forma de sales, tanto solubles como insolubles.
Muchos oligoelementos son metales de transición, pero otros son no metales, incluyendo algunos halógenos. La mayoría participa en la formación de enlaces iónicos, pero hay alguna excepción. Su falta suele provocar efectos adversos en el organismo, y muchas veces es esta la característica que permite su identificación.

Los bioelementos esenciales son aquellos que resultan imprescindibles para la vida de un ser vivo. Mediante diferentes estudios se ha podido establecer que existen unos 26 elementos químicos que tienen este carácter, además de alguno más cuya esencialidad está discutida. La mayoría de ellos resultan esenciales tanto en plantas como en animales (C, H, O, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo), mientras que unos pocos más son esenciales en animales pero no en plantas (F, V, Ni, Se, Sn, I) y solo el B es esencial en plantas, pero no en animales. El listado anterior no significa que todos esos elementos sean esenciales para todos los organismos, pero sí que lo son en algún caso.

Una clasificación de los bioelementos con mayor interés biológico es la que los agrupa según la función que realizan en el organismo. Desde este punto de vista se pueden distinguir bioelementos estructurales, electrolíticos y enzimáticos.

Los bioelementos estructurales son los constituyentes básicos de las biomoléculas y de los elementos que proporcionan soporte estructural y resistencia a los seres vivos, como esqueletos o caparazones. Incluyen todos los bioelementos primarios (C, H, O, N, P y S) además del Si, que forma parte de los caparazones de algunos organismos y del Ca.

Todos ellos son de bajo peso molecular, lo que indica que son bastante abundantes en la naturaleza, y la mayor parte (todos excepto el calcio) tienen carácter no metálico, lo que les permite formar enlaces covalentes, muy difíciles de romper, que proporcionan estabilidad a las biomoléculas.

El Hidrógeno tiene características especiales, ya que puede actuar como metal (cediendo su electrón para dar lugar al ión H+) o como no metal, dentro de compuestos covalentes. Esto hace posible que, además de su papel estructural, tenga otras funciones fundamentales dentro de los seres vivos. En concreto, proporciona poder reductor, necesario para que tengan lugar una gran parte de las reacciones celulares. También interviene en la generación de energía metabólica, en procesos tales como la respiración celular y la fotosíntesis y es responsable del pH celular.

En cuanto al calcio, también juega simultáneamente una función estructural y electrolítica, gracias a su naturaleza metálica. Su función estructural consiste en formar parte de las sales minerales que constituyen los elementos de soporte de muchos organismos, como caparazones y esqueletos. En esos casos el calcio es el principal catión, que se combina, fundamentalmente, con carbonatos y fosfatos.

Todos los elementos electrolíticos son fácilmente hidrolizables, y de hecho suelen encontrarse en el organismo en forma iónica. En general participan en la creación de gradientes de concentración a ambos lados de una membrana biológica, gracias a la permeabilidad selectiva que presentan estas estructuras. Estos gradientes son fundamentales para el funcionamiento celular, tanto para la comunicación (por ejemplo en el caso del gradiente Na/K en la transmisión del impulso nervioso) como para la producción de energía (gradiente de protones entre el espacio intermembranoso y el compartimento interno de mitocondrias o cloroplastos, o entre el exterior y el citoplasma bacteriano) o la activación de procesos celulares (gradiente de calcio entre el citoplasma y el retículo en la contracción muscular).

Finalmente, los elementos catalíticos son necesarios para el funcionamiento correcto de diferentes enzimas. En muchos casos su actividad catalítica se debe a su capacidad para cambiar de estado de oxidación, cediendo o tomando electrones (como el Mg en la fotosíntesis), o a su capacidad para formar enlaces iónicos con otros compuestos, estabilizando la estructura de las enzimas.

Las biomoléculas

Un compuesto químico es un sistema formado por la unión de dos o más átomos. La cohesión de la estructura es debida a la presencia de enlaces, que son fuerzas que se establecen entre átomos y moléculas como resultado de su interacción mediante electrones.
En los seres vivos, los átomos pueden unirse entre sí mediante dos tipos de enlaces: los iónicos, en los que un átomo cede uno o varios electrones a otro, con lo que ambos se transforman en iones, atrayéndose entre sí eléctricamente, debido a que tienen cargas de distinto signo, y los enlaces covalentes, en los que los átomos comparten electrones, formando una molécula difícil de romper. Por el contrario, los compuestos iónicos se disocian en presencia de disolventes, es decir, sus iones se separan entre sí y se mezclan entre las moléculas del disolvente.

Los seres vivos están formados tanto por moléculas orgánicas como por moléculas inorgánicas. La clasificación de los compuestos químicos en estas dos categorías se basa en su origen y distribución: Las sustancias inorgánicas se encuentran tanto en los seres vivos como en la materia inerte, mientras que los compuestos orgánicos aparecen exclusivamente en los seres vivos, o han sido producidos por ellos.
Las sustancias químicas que forman parte de la composición de los seres vivos, tanto orgánicas como inorgánicas, reciben el nombre de biomoléculas. 

Biomoléculas inorgánicas
Las moléculas inorgánicas que forman parte de los seres vivos son el agua y algunas sales minerales, tanto binarias como ternarias.
El agua es la sustancia que permite la existencia de la vida, y la sustancia química más abundante en todos los organismos. Su composición química es bien conocida, H2O, pero a pesar de su aparente sencillez su estructura hace que posea propiedades peculiares, que la hacen especialmente adecuada para los organismos.
Los átomos de la molécula de agua se disponen formando una "V", con el oxígeno en su vértice. Debido a la diferencia de electronegatividad (la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia él) entre el oxígeno y el hidrógeno, los enlaces entre esos átomos son covalentes polares, lo que significa que, como los electrones que participan en el enlace están durante más tiempo ligados al oxígeno que al hidrógeno, el oxígeno tiene una carga "parcial" negativa, mientras que los átomos de hidrógeno tienen cargas "parciales" positivas. Esto hace que las moléculas de agua se atraigan entre sí, con menos fuerza que la de un enlace, pero de un modo bastante intenso.
Las fuerzas de atracción entre las moléculas del agua hacen de ella una sustancia bastante "extraña", con propiedades que teóricamente no debería tener.
Muchas de las propiedades del agua son "anómalas" y tienen una importancia considerable para los seres vivos. Destacan cuatro de ellas:
  • Cohesión: las fuerzas que mantienen unidas entre sí las moléculas de agua son muy intensas.
  • Elevado calor específico: El agua necesita absorber o perder una gran cantidad de energía para poder cambiar su temperatura.
  • Variación anómala de la densidad con la temperatura: a diferencia de la mayoría de las sustancias, la densidad del agua no aumenta siempre al disminuir la temperatura.
  • Gran capacidad de disolver sustancias: el agua es capaz de disolver una gran vaiedad de sustancias químicas, incluyendo moléculas de gran tamaño.
La cohesión del agua se debe a los puentes de hidrógeno que se establecen entre sus moléculas. En el agua líquida los puentes de hidrógeno se forman y se deshacen continuamente, pero siempre hay un gran número de moléculas enlazadas entre sí, lo que hace difícil separarlas. En la superficie, el fenómeno se manifiesta como "tensión superficial", que es la dificultad para romper la primera capa del líquido. La elevada cohesión del agua tiene importantes consecuencias para los seres vivos: en las plantas, hace posible el ascenso de la savia a lo largo de los tallos; La evaporación en la superficie de las hojas "arrastra" a las moléculas de los vasos conductores, gracias a que se mantienen entre sí mediante los puentes de hidrógeno. También permite los movimientos del citoplasma celular.
 El calor específico mide la cantidad de energía que hay que proporcionar a una cierta cantidad de una sustancia para aumentar su temperatura. El agua tiene un calor específico muy elevado, y también necesita una gran energía para cambiar de estado sin cambiar su temperatura (calor latente de cambio de estado) como consecuencia, de nuevo, de la presencia de los puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Esta característica hace que el agua tenga un papel fundamental como regulador térmico, suavizando los cambios de temperatura cuando se produce calentamiento o enfriamiento. Este papel de termorregulador se produce tanto en el interior de los organismos, mediante la evaporación del sudor, en las zonas costeras del planeta, en las que el mar contribuye a suavizar las temperaturas respecto a las zonas costeras, y a escala global: los océanos distribuyen a lo largo de todo el planeta la energía recibida del Sol, que llega especialmente a las zonas ecuatoriales.
En la mayoría de las sustancias la densidad aumenta a medida que disminuye la temperatura, como consecuencia de que sus moléculas van quedando mejor "empaquetadas" entre sí al reducirse la velocidad con la que se mueven. El agua se comporta de este modo por encima de los 4ºC, mientras que por debajo de esta temperatura las moléculas de agua quedan atrapadas en una red cristalina que impide la formación de puentes de hidrógeno entre ellas, reduciendo su densidad. El efecto que tiene esta característica es que el hielo tiene menos densidad que el agua que lo rodea, por lo que flota sobre ella. Como consecuencia, la capa superficial de hielo aisla la capa de agua que se encuentra por debajo, permitiendo que se mantenga líquida y que, por tanto, pueda mantener la vida bajo el hielo. Por otra parte, esto también facilita el deshielo cuando vuelve a aumentar la temperatura ambiental.
Una disolución (o solución) es una mezcla homogénea de dos o más sustancias: las moléculas de la sustancia que se encuentra en menor proporción se encuentran distribuidas por igual en todo el volumen de la otra sustancia. El agua es capaz de disolver las sustancias iónicas y polares porque sus componentes (iones o moléculas) son atraidos por las moléculas de agua, que los rodea y los mantiene separados entre sí. Alrededor de los iones o de las moléculas disueltas se forma una esfera de moléculas de agua, atraídas por las cargas del soluto, que se llama esfera de hidratación, importante para conseguir que las moléculas grandes se mantengan disueltas, incluyendo sustancias cuyas moléculas son de gran tamaño como polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos.
Como el agua es la sustancia más abundante en los seres vivos, la capacidad de una sustancia para disolverse en ella resulta fundamental para su posible uso por parte de los organismo. De este modo se hace importante la diferencia entre sustancias solubles en agua, que reciben el nombre de hidrófilas, y las que se disuelven mal en esta sustancia, llamadas hidrófobas.
El tamaño de los elementos de la materia que se disuelve hace que las mezclas acuosas tengan propiedades diferentes. Se forma una disolución verdadera cuando la sustancia se divide hasta dar lugar a sus constituyentes mínimos (moléculas, iones) y éstos tienen un diámetro menor de 10-9 m.Si el diámetro de las partículas disueltas está entre 10-7 m y 10-9 m se habla de dispersión coloidal. Por último, si las partículas son apreciables a simple vista y son tan pesadas que acaban por precipitar se forma una suspensión. Muchas biomoléculas orgánicas tienen un tamaño lo suficientemente grande como para formar coloides. El agua puede formar coloides estables con grandes moléculas polares como las proteínas o los ácidos nucleicos.


Uno de los factores que influyen en mayor medida en la actividad química de los seres vivos es la acidez o basicidad del medio interno del organismo y del interior celular. 
El enlace entre los átomos de la molécula de agua es polar, lo que hace que dicha molécula pueda llegar a disociarse en dos iones, H+ y OH-:

Los protones, en realidad, se asocian siempre a moléculas de agua:
Esta reacción de disociación es reversible, y muy poco frecuente, pero es suficiente para que en el agua pura haya una cantidad significativa de estos iones reactivos, que tienen una importancia química fundamental porque proporcionan a las disoluciones características de ácidos o de bases.
En Biología resulta útil un concepto “restringido” de ácido y de base: un ácido es una sustancia que, al disolverse, aumenta la concentración de protones (iones H+) en el medio. Una disolución ácida es la que tiene más protones que hidroxilos. Por su parte una base es una sustancia que, al disolverse, reduce la concentración de protones en el medio. Una disolución básica es la que tiene menos protones que hidroxilos
En el agua pura, la cantidad de protones (H+) y de hidroxilos (OH-) es la misma, pero algunas sustancias (ácidos y bases), al disolverse, pueden romper ese equilibrio.
La concentración de protones en una disolución puede variar en un rango de billones de veces, por lo que es conveniente medirla usando una escala especial, que reduzca esa variabilidad a valores manejables. Es una escala logarítmica, que se obtiene a partir de la concentración de protones y de hidroxilos en el agua pura:
Si se calcula el logaritmo decimal de esa concentración y se cambia de signo se tiene el pH de una disolución neutra. 


Los valores de la escala pueden variar entre 0 y 14; valores de pH menores de 7 indican que la disolución es ácida, y superiores a 7 que es básica

El pH es una característica muy importante en los medios biológicos, que debe ser mantenida dentro de unos límites adecuados. La mayoría de los organismos no pueden soportar cambios significativos de pH, porque los procesos celulares son muy sensibles a la concentración de protones e hidroxilos.
Los seres vivos pueden mantener el pH de su interior en los valores apropiados gracias a que poseen sistemas tamponadores, que permiten su regulación. Un tampón o buffer es una disolución capaz de absorber protones del medio cuando aumenta su concentración o de donarlos cuando disminuye. Los buffers están compuestos por un ácido  o una base débiles (En disolución no están totalmente disociados) y una de sus sales.

Iones y sales minerales
Además del agua, los seres vivos contienen otras sustancias inorgánicas. En general son sales, que pueden ser tanto binarias como ternarias. En la mayor parte de los casos se encuentran en forma disociada, separadas en los iones que las forman, y por tanto disueltas, aunque también se pueden encontrar asociadas a las moléculas orgánicas o precipitadas.
Los compuestos inorgánicos desempeñan importantes funciones en los seres vivos:
  •  Mantienen la concentración salina del medio interno
  • Mantienen los procesos osmóticos (paso de solutos a través de la membrana)
  • Estabilizan las dispersiones coloidales
  • Regulan el pH de la célula y del medio interno
  • Forman estructuras esqueléticas, tanto internas como externas

viernes, 14 de marzo de 2014

Aproximación al concepto de ser vivo

El estudio de los seres vivos se inició en la antigüedad, centrándose en varios aspectos distintos: el conocimiento del hombre, con el fin de curar las enfermedades, el estudio de las plantas y animales útiles para la agricultura y la ganadería, y la relación entre el hombre y la muerte.
A pesar de esos orígenes remotos la Biología en sí es una ciencia joven: la propia palabra no se utiliza por primera vez hasta el siglo XVIII, y solo se hace popular cuando Lamarck la define en una de sus obras como "la teoría de los cuerpos vivos".
También es Lamarck quien introduce el concepto de "ser vivo" como una categoría diferente a la de "objeto inerte". Antes de los escritos de Lamarck se consideraba que existía un cambio gradual entre minerales, plantas y animales, división que ha llegado incluso hasta nosotros, y que supone que la diferencia entre plantas y animales es similar a la que hay entre plantas y minerales. Lamarck introduce el concepto de unidad de los seres vivos, y con él la idea de una diferencia fundamental entre lo vivo y lo inerte.
Sin embargo, más de doscientos años después del nacimiento oficial de la Biología, seguimos sin tener una definición precisa y aceptada universalmente del concepto de vida, o del propio objeto de estudio de esta ciencia: los seres vivos. 
Es probable que esta dificultad en definir a los seres vivos y a la propia vida se deba a que sus límites son un tanto borrosos; a día de hoy, ni siquiera los biológos se han puesto totalmente de acuerdo en si los virus son o no seres vivos. Tampoco hay un consenso general en si la vida es una propiedad que puede definirse de forma universal o solo en referencia a entidades de nuestro propio planeta, los únicos seres vivos que actualmente conocemos; si encontráramos vida extraterrestre, ¿seriamos capaces de encontrar suficientes características comunes con los seres vivos que conocemos como para incluirlos en una misma categoría?
Los conceptos "borrosos" son bastante frecuentes, y suelen ser difíciles de definir. Por ejemplo, no resulta sencillo distinguir entre un juego y un deporte. Ludwig Wittgenstein, un filósofo alemán del siglo XX, propuso que la forma de delimitar estos conceptos es utilizar la misma estrategia que aplicamos normalmente para decidir si dos personas son familia: valorar si entre ellas hay un "parecido suficiente".  Por tanto, la forma de aproximarse a una definición de ser vivo es tratar de describir todas las características que los organismos tienen entre sí.

Los seres vivos son sistemas

La ciencia suele utilizar "marcos de referencia" que dan sentido a sus teorías. En la actualidad, uno de los paradigmas científicos más utilizados es la Teoría General de Sistemas (TGS), que considera que muchos entes complejos, a los que llama sistemas, tienen características comunes y pueden ser estudiados del mismo modo.
Un sistema es, simplemente, un conjunto de elementos relacionados entre sí. Para la TGS los sistemas se caracterizan porque establecen una relación dinámica con el entorno que los rodea: captan materia y energía del exterior (recursos) y desprenden otras formas de materia y energía (residuos), proceso durante el cual ocurren en su interior ciertas transformaciones, en particular cambios de unas formas de energía a otras y procesos de utilización de la materia y de la energía.
Todos los sistemas tienen ciertas características comunes, que deben ser estudiadas para comprender su funcionamiento:
  • Composición: determinada por las sustancias químicas que los forman.
  • Estructura: elementos de los que están formados.
  • Organización: disposición de sus elementos, y las relaciones que se establecen entre ellos.
  • Función: actividad del sistema, es decir, el tipo de transformaciones que lleva a cabo.
La organización de los sistemas, es decir, el conjunto de relaciones e influencias que se establecen entre sus elementos, pueden proporcionarles la capacidad de mantenerse en equilibrio frente a cambios en el ambiente, adaptándose a dichos cambios. Esto hace que algunos sistemas posean propiedades (como la capacidad de autorregularse) que no corresponden a ninguno de sus elementos, y que reciben el nombre de propiedades emergentes. Una frase común que describe esta característica es la afirmación de que "el todo es mayor que la suma de sus partes".

Es posible estudiar los seres vivos en función de la teoría general de sistemas. Según esto, todos los seres vivos son sistemas, porque son conjuntos de elementos relacionados entre sí, y diferenciados del entorno que les rodea.
  • Los organismos se relacionan con su ambiente, intercambiando con él materia y energía (son sistemas "abiertos").
  • Intercambian información con el entorno, modificando su actividad para adaptarse a esos cambios mediante sistemas de retroalimenación (son sistemas "cibernéticos" y "adaptativos", porque pueden mantener su equilibrio interno, su homeostasis).
  • Poseen "memorias" en las que almacenan información acerca de su propia composición, estructura y funcionamiento (son sistemas "históricos").
  • Pueden mantener y reparar sus elementos a partir de los recursos que consiguen de su ambiente, y son capaces de replicarse, dando lugar a otros sistemas similares a ellos (son sistemas autoorganizados).
  • Están sometidos a cambios aleatorios que pueden modificar su "adaptación" al entorno que les rodea (son sistemas "evolutivos").
 Todas estas características se dan simultáneamente en todos los seres vivos, pero no aparecen a la vez en otros sistemas naturales no biológicos. Además, son independientes de la composición química concreta de los organismos y de su estructura, de modo que podrían considerarse características universales de cualquier posible ser vivo.

Los seres vivos que conocemos

Además de las características "universales" todos los seres vivos que conocemos tienen otras características comunes:
  • Composición química: todos los seres vivos están formados por los mismos tipos de compuestos químicos, diferentes de los que forman la materia inerte.
  • Estructura: todos los organismos poseen una estructura común, que es capaz de realizar todas las funciones que caracterizan al individuo en su conjunto y que contiene toda su información genética: estructura celular.
  • Recursividad: los seres vivos son sistemas complejos, formados por partes que son, a su vez, sistemas. Esta complejidad se repite en varios niveles (niveles de organización).
Los organismos tienen partes complejas, formadas a su vez por otros elementos que también son sistemas complejos. Los elementos tienen una estructura determinada, que se manifiesta en una forma tridimensional precisa. Las diferentes partes de los individuos juegan un papel en la supervivencia del mismo, tanto a escala macroscópica como microscópica, y se relacionan entre sí de forma dinámica y regulada. La función de cada parte está relacionada con su estructura, lo que diferencia a la biología de otras ciencias.


Los seres vivos también se caracterizan por participar muy activamente en procesos de transformación de la energía. El estado vivo se caracteriza por un intenso flujo de energía, que mantiene a los organismos en desequilibrio termodinámico con su entorno, de modo que el equilibrio solo se alcanza cuando el organismo muere. Durante su vida, para mantenerse en un estado estable necesitan obtener continuamente energía de su entorno, actividad que llevan a cabo mediante estructuras específicas.
Del mismo modo, todos los organismos poseen estructuras específicas para captar información del entorno y responder a ella.

Organización, recursividad y niveles de organización de los seres vivos

 La organización es una característica de ciertos sistemas que consiste en que sus elementos se disponen ordenadamente y actúan de modo coordinado, lo que les permite realizar un determinado fin o función. La organización depende de la estructura del sistema, es decir, del conjunto de elementos que lo forman, y de las relaciones que se establecen entre esos componentes.
Los seres vivos son sistemas recurrentes o recursivos: cada organismo está formado por elementos que son, a la vez, sistemas. Esta complejidad estructural se repite varias veces, de modo que cada tipo de sistema constituye un nivel de organización.
Los niveles de organización son, por lo tanto, los diferentes grados en los que se puede apreciar la organización de la materia viva, dando lugar a la aparición de propiedades emergentes.
Los niveles de organización fundamentales de la materia viva son los que tienen capacidad de regular su funcionamiento de forma autónoma y de adaptarse por sí mismos a los cambios de su entorno:
  • Los ecosistemas son conjuntos complejos que pueden alcanzar estados de equilibrio dinámico entre sus diferentes componentes y que evolucionan conjuntamente como consecuencia de cambios ambientales.
  • Los organismos o individuos son entidades autónomas, capaces de realizar por sí mismos las funciones que caracterizan al estado vital. Están sujetos a evolución mediante selección natural.
  • Las céulas pueden ser individuos completos por sí mismos, o formar parte de organismos pluricelulares como entidades autónomas desde el punto de vista funcional.