INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 GUÍA 1: BIOMOLECULAS Objetivo: Comprender que las células funciones especificas del metabolismo. están constituidas por diferentes moléculas biológicas que cumplen Introducción: Los seres vivos están compuestos por moléculas, las cuales, si se examinan individualmente, cumplen con todas las leyes físicas y químicas que describen el comportamiento de la materia. La mayor parte de los componentes químicos de los organismos vivos son compuestos orgánicos (C) , cuyos átomos se encuentran unidos a otros como el hidrógeno (H) , el oxígeno (O) , el nitrógeno (N) o entre sí, formando verdaderos esqueletos carbonados . Lo que para los científicos de comienzos del siglo XX era una empresa sin esperanza, es hoy en día un hecho: la inmensa variedad de moléculas orgánicas se reduce a una simplicidad básica. Esto se debe a que todas las macromoléculas de las células están constituidas por moléculas sencillas y simples encadenadas en miles de unidades. Una de las macromoléculas más importante que conoceremos es la molécula de ADN, construida sobre la base de 4 nucleótidos dispuestos en diferente orden y número para cada especie. Los aminoácidos que forman las proteínas son sólo 20, los que pueden ordenarse en formas diferentes para originar proteínas diferentes. Es fácil imaginarlo si pensamos en el alfabeto de 28 letras con el cual se puede construir un número ilimitado de palabras. ¡Te invito a conocer la composición de los seres vivos! ¿DE QUÉ ESTÁ FORMADA LA MATERIA VIVA? Los elementos que forman parte de los seres vivos reciben el nombre de bioelementos. Si analizamos la composición de los seres vivos se pueden apreciar a lo menos unos 70 bioelementos. De ellos, unos 20 son imprescindibles para la vida. Los bioelementos se clasifican en: Bioelementos primarios: Aquellos que se encuentran en proporción igual o superior al 1% de la masa total del cuerpo. Pertenecen a este tipo el carbono( C ), el oxígeno ( O ) , el Hidrógeno ( H ) , el Nitrógeno ( N ) , el Calcio ( Ca ) y el Fósforo ( P ). Bioelementos secundarios: Aquellos cuya concentración en las células es entre 0.05 y 1 %. También reciben el nombre de microelementos y entre ellos se encuentran el sodio ( Na), el Potasio ( K ) , el Cloro (Cl), el Magnesio ( Mg), y el Azufre (S). Oligoelementos: Aquellos que se encuentran representados por átomos cuya concentración celular es menor que 0,05 %. Entre ellos se encuentran el Fierro ( Fe), el Cobre (cu), el Manganeso (Mn), el Fluor (F), el Zinc ( Zn), el Molibdeno ( Mb), el Boro (Bo), el Silicio (Si), el Cobalto (Co) el Yodo ( I ) y el Selenio ( Se). Estos elementos son llamados también elementos trazas por la baja concentración en que se encuentran. 1. Analiza la siguiente tabla: Elementos Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno Fósforo Azufre Calcio Sodio Potacio Magnesio Cloro Fierro Silicio Aluminio Cuerpo humano% peso 65 18 10 3 11 0.25 1.93 0.15 0.35 0.05 0.15 < de 0.05 < ds 0.05 < de 0.05 1 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS Las más importantes son: Proteínas, Carbohidratos, Lípidos y Ácidos Nucleicos. PROTEÍNAS Son compuestos formados básicamente por C – H – O – N – S. Las proteínas son macromoléculas formadas por unidades básicas o monómeros llamadas aminoácidos. Estos se caracterizan por poseer un grupo carboxilo “COOH” y un grupo amino “NH2” , unido a un radical que varía. Sus propiedades son: Compuestos sólidos Solubles en agua Tienen un elevado punto de fusión. Existen 20 aminoácidos en la naturaleza. La mayor parte de tu cuerpo está formado de proteínas y las necesitas para crecer, moverte y defenderte de las enfermedades, entre tantas otras funciones. Figura: Estructura química de algunos aminoácidos. Un Aminoácido (AA) + otro AA +..... (n) AA = Una macromolécula “Proteína” Las proteínas presentan 4 tipos diferentes de estructura: Estructura Primaria: se presenta como un filamento en un solo plano, como las que forman el cabello. Estructura Secundaria: las proteínas de estructura primaria se disponen espacialmente como las fibras de colágeno (como una espiral). Estructura terciaria: la proteína de estructura secundaria se enrolla sobre sí misma, quedando dispuesta en una conformación espacial globular. Este tipo de proteína es más compleja y no soluble en agua. Ejemplo de ellas son la mioglobina y algunas enzimas. Estructura Cuaternaria: es la más compleja de las estrucrturas proteicas. Son proteínas terciarias enrolladas formando un ovillo. Pueden ser varias cadenas unidas como la hemoglobina. 2 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 Los AA se unen entre sí mediante enlaces los cuales se producen entre el grupo carboxilo terminal de uno y el grupo amino del aminoácido siguiente. Este enlace se conoce como enlace peptídico. Cuando los enlaces se destruyen se dice que la proteína pierde su conformación o su estructura, proceso que se conoce como desnaturalización. A continuación se exponen algunos ejemplos de proteínas y las funciones que desempeñan: Estructural : Algunas proteínas constituyen estructuras celulares. - Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas celulares y actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias. - Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan la expresión de los genes. - Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos (el colágeno del tejido conjuntivo fibroso, la elastina del tejido conjuntivo elástico, la queratina de la epidermis) - Las arañas y los gusanos de seda segregan fibroina para fabricar las telas de araña y los capullos de seda, respectivamente. Enzimática: Las proteínas con función enzimática son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular. (Ej: Amilasa salival) Hormonal: Controlan las funciones celulares. - La insulina y el glucagón (regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la del crecimiento o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio). Defensiva: Las inmunoglogulinas actúan como anticuerpos frente a posibles antígenos. La trombina y el fibrinógeno contribuyen a la formación de coágulos sanguíneos para evitar hemorragias. Las mucinas tienen efecto germicida y protegen a las mucosas. Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes, son proteinas fabricadas con funciones defensivas. Transporte: La hemoglobina transporta oxígeno en la sangre de los vertebrados. Los citocromos transportan electrones. Contráctil: La actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción muscular. La dineina está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos. Reserva: La ovoalbúmina de la clara de huevo, la gliadina del grano de trigo y la hordeina de la cebada, constituyen la reserva de aminoácidos para el desarrollo del embrión. La lactoalbúmina de la leche. CARBOHIDRATOS: Se llaman también glúcidos o hidratos de carbono. Son biomoléculas formadas por C – H – O en una proporción de Cn H2n On. La unidad básica de los Hidratos de Carbono es el monosacárido, cuya característica es su unión a grupos alcohólicos, la presencia de grupos aldehídos ( CHO) o grupos cetónicos (CO). La clasificación más simple de los hidratos de carbono es tomando como criterio el número de unidades básicas que lo forman: Monosacáridos: Corresponde sólo a la unidad básica, destacándose aquí la glucosa, la fructosa, la ribosa , la galactosa, etc. Disacáridos: Formados por dos moléculas de monosacáridos, como la lactosa (glucosa + galactosa), sacarosa ( glucosa + fructosa) , maltosa ( Glucosa + glucosa). Polisacáridos : Formados por largas cadenas de monosacáridos como el almidón , el glicógeno, la celulosa. 3 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 Propiedades de los monosacáridos: Son cristalinos, blancos, hidrosolubles y de sabor dulce. La fructosa y la glucosa sólo se diferencian en sus grupos funcionales aldehído ( CHO) y cetónico (CO). FUNCIONES: - Energética: produce energía de uso inmediato y de reserva en los organismos. Estructural: Forman parte de las membranas celulares vegetales y animales, también de estructuras como caparazones de los artrópodos (quitina) o corteza vegetal (celulosa). Antibiótica: se encuentra presente en la estreptomicina. Hormonal: forma parte de las hormonas gonadotróficas. Inmunológica: principalmente representada por las glucoproteínas a nivel sanguíneo. Al igual que los aminoácidos, los monosacáridos se van uniendo uno a uno mediante enlaces , (puentes de oxígeno), llamados enlaces glucosídicos , perdiendo en cada unión una molécula de H2O. Entre los polisacáridos importantes están: La celulosa que se encuentra en el algodón, cáñamo, madera etc. El almidón, propio de los vegetales , que se acumula en forma de gránulos en las células vegetales. El agar – agar, que se extrae de las algas y se usa como medio de cultivo y en la fabricación de cremas, cosméticos, etc. La goma arábiga que segregan ciertas plantas para curar sus heridas. LÍPIDOS: Son compuestos formados por C – H – O al igual que los hidratos de carbono, pero con la diferencia que el O2 se encuentra en menor cantidad. Son compuestos insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos como el éter, cloroformo, etc. Los lípidos se clasifican en: 1. Ácidos grasos: moléculas formadas por cadenas hidrocarbonadas lineales con un número par de átomos de C que se caracterizan por tener un grupo carboxílico (COOH). Por ejemplo, ácido palmítico, esteárico, oleico. 2. Lípidos saponificables: son aquellos con los que se puede fabricar jabón ya que contienen ácidos grasos. Ejemplo de ellos son las ceras, los triglicéridos, la colina, etc. 3. Lípidos insaponificables: son aquellos que no poseen ácidos grasos, por lo que no originan jabones. Por ejemplo, el colesterol, ácidos biliares, hormonas sexuales (progesterona y testosterona), etc. 4 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 La función de los lípidos es: Segunda fuente de energía (reserva). Térmica, como aislante térmico. Estructural, forma parte de las membranas celulares, bicapa impermeable a sustancias solubles en H 2O. ÁCIDOS NUCLEICOS: Los Ácidos Nucleicos son compuestos químicos formados por C – H – O – N y P. La molécula básica se llama nucleótido y está formada por: 1 monosacárido de 5 carbonos (pentosa) 1 base nitrogenada 1 molécula de ácido fosfórico o grupo fosfato Figura: Estructura de un nucleótido Funciones: - Almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética (ADN ácido desoxirribonucleico) - Control de la síntesis y la secuencia de todas las proteínas, enviando un mensaje desde el núcleo al citoplasma (ARN ácido ribonucleico) - Para el caso del ATP (adenosin tri fosfato), funciona como la “moneda de intercambio” de la energía celular. 5 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 APLIQUEMOS LO APRENDIDO I. Elabora un mapa conceptual considerando las moléculas orgánicas estudiadas, sus unidades básicas y la función que cumple cada una. II. Completa el siguiente crucigrama 2 4 9 10 7 1 6 5 3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. III. 8 Nombre genérico de las moléculas que se encuentran en los seres vivos. Compuestos formada por C-H-O. Polisacárido de origen vegetal. Macromoléculas orgánicas que contienen C-H-O en proporción Cn H2n On. Elemento presente en proteínas. Elementos que son indispensables en los seres vivos pero que se presentan en cantidades inferiores al 0.05%del peso. Tipo de polisacárido extraído de las algas, invertido. Grupo funcional carboxílico. Proteína de conformación secundaria. Elemento indispensable en los compuestos orgánicos y en las uniones moleculares Verdadero o Falso. Escribe una V si consideras que el enunciado es verdadero y una F, si es falso. Justificando las falsas. 1. _____ Los ácidos nucleicos incluyen azufre en sus moléculas 2.______En la carne se encuentra una alta fuente de carbohidratos 4. _____ El agua es una molécula orgánica 5. _____ La mínima unidad de la vida son las biomoleculas. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------------Identifica y responde 1. Qué tipo de molécula orgánica es _________________________________ 2.- Qué átomos la conforman _________________________________ 3.- Qué subunidad la conforma P _________________________________ P 4.- Cuál es la función de esta molécula _________________________________ 5.- Menciona fuentes naturales donde de encuentra ______________________________________________________________________________________ 6 P INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 Visión histórica de la Teoría Celular La observación microscópica de las diferentes formas de microorganismos revela la existencia en ellos de ciertos rasgos estructurales comunes. En todos ellos se observa una organización que los biólogos llaman célula. La que se encuentra en todos los organismos vivientes, desde los más simples a los más complejos. Gracias al avance de la microscopía se pudo observar la verdadera estructura y función de la célula, pero este estudio data de muchos años atrás para constituir lo que ahora conocemos como teoría celular. 1590: Los hermanos Jansen construyen el primer microscopio. 1665: Robert Hooke además de mejorar el microscopio, publicó un texto llamado Micrografía, el cual presenta la estructura microscópica de restos de células de árboles. Hooke describió: “Pude claramente percibir que era todo perforado y poroso, muy parecido a un panal de abejas…” estos poros no eran muy profundo, sino que consistían en una gran cantidad de cajas. Hooke uso la palabra célula para describir los pequeños poros que vio en las láminas delgadas de corcho. En realidad no vio las células, sino que observó las paredes celulares de un tejido muerto. 1675: Leeuwenhoek mejora el sistema de lentes del microscopio y además la vida producida por una célula y en el año 1683 observa las bacterias. 1809: Lamarck expresó que “Ningún cuerpo puede tener vida si sus partes constituyentes no son tejidos celulares o no están formados por tejido celular”… 1824: Dutrochet señala que todos los tejidos animales y vegetales están formados por células y todos los tejidos y órganos de un animal son un tejido celular que ha sufrido modificaciones diversas. 1828: Wohler sintetizó urea (componente de la orina en mamíferos), lo que fue importante porque se creía que las sustancias del cuerpo se hacían en él, pero también se puede hacer en el laboratorio. 1830: Meyer dice que la célula vegetal es capaz de nutrirse y construir por sí misma. 1831: R. Brownn informó el descubrimiento de un cuerpo esférico y oscuro en el interior de la célula al que denominó NUCLEO. 1835: Dujardin propuso que las células no eran estructuras huecas, sino que contenían una masa homogénea de composición viscosa que él denominó PROTOPLASMA. 1838 – 1839: el botánico Mathias Schleiden y el zoólogo Theodor Schwann fueron quienes propusieron la TEORÍA CELULAR. Establecieron la idea básica de que todos los seres vivos están formados por células, que actúan independientemente y sin embargo funcionan acorde. 1842: se demostró que los granos de pólen de las plantas se forman por división celular, se encontró que en estas divisiones siempre actúa el núcleo. 1855: Rudolf Virchow médico y biólogo alemán, llegó a la generalización de que las células siempre se multiplican por división celular y además planteó que todas las células derivan de otra célula pre-existente. 1879: El biólogo Wather Fleming pudo seguir los cambios nucleares de la división celular y lo describió en forma muy parecida a la que se estudia hoy en día debido al aspecto filiforme de los cromosomas, denominó a este proceso MITOSIS. (Griego = hilo). 1880: Weismann, dijo que todas las células existentes remotan de tiempos muy antiguos. La historia de la Teoría Celular ilustra muy bien la relación entre ideas y observaciones en Ciencias. Cuando los hombres intentaron hacer especulaciones más allá de las observaciones, algunas veces erraron. De todas maneras es mejor tener ideas ya que pueden servir para estimular a otros a pensar y conducirlos a la experimentación. La suma conjunta de los resultados de las investigaciones mencionadas y muchas otras se ha traducido en lo siguiente: VISIÓN ACTUAL DE LA TEORÍA CELULAR:  La célula es la unidad estructural de la vida. Todos los seres vivos están formados por células.  La célula es la unidad funcional de la vida. La célula es la unidad definida de la organización de la materia viviente, que consta de una pequeña masa de protoplasma que se comporta como un organismo elemental, capaz de vivir aislado o de formar 7 INSTITUTO NACIONAL Departamento de Biología Coordinación 1º Medio 2010 asociaciones de células especializadas e integradas. El funcionamiento de un organismo como unidad es el resultado de la suma de actividades o interacciones de todas las unidades celulares integrantes.  Toda célula proviene de otra célula. Toda célula se forma a partir de otra célula pre – existente.  La célula es la unidad bioquímica de todo ser vivo. La célula posee la maquinaria necesaria para que en ella acontezcan todas las reacciones químicas, y con ello los procesos bioquímicos. Actividades: Te invitamos a revisar estos artículos disponibles en la Web, más otros que tú encuentres o que tú profesor (a) te propongan para analizar los trabajos realizados principalmente por los siguientes científicos Hooke, Schawnn, Schleiden, identificando problema, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones en investigaciones científicas clásicas o contemporáneas que han permitido el desarrollo de la Teoría Celular. Desarrollo histórico de la Biología celular: http://biol.unlp.edu.ar/historiabiologiacelular.htm La historia de la célula biológica: http://biol.unlp.edu.ar/historiabiologiacelular.htm 8